一種利用二次離子質譜進行斜鋯石鈾鉛定年的方法技術

一種利用二次離子質譜測定斜鋯石鈾鉛年齡的方法，屬于地質年代學二次離子質譜定年方法范疇。尤其指應用在具有吹氧條件的大型二次離子質譜儀上的方法。本文描述的測量方法中，首先將質譜儀樣品腔中真空度達到１Ｅ－８Ｔｏｒｒ，然后打開氧氣漏閥，在離樣品表面吹入純度為９９．９９％的氧氣，使樣品腔的氧氣分壓達到１Ｅ－５Ｔｏｒｒ。本發明專利技術采用的方法可以降低二次離子質譜在對斜鋯石進行鈾－鉛定年時所表現出的光軸效應到２％以下。從而顯著提高斜鋯石在進行二次離子質譜分析時鈾－鉛年齡的精度。在得到鈾鉛測量比值后，采用ｌｎ（Ｐｂ＋／Ｕ＋）和ｌｎ（ＵＯ２＋／Ｕ＋）的線性關系進行鈾－鉛分餾校正，得到準確的年齡。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是一種利用二次離子質譜儀(SIMS)測定斜鋯石鈾鉛年齡的方法，屬于地 質年代學中二次離子質譜礦物定年方法的范疇。
技術介紹
二次離子質譜分析法是微區原位分析的一種先進方法，具有高靈敏度、高空間分 辨力和高精度的優點。使用經過加速的一次離子束聚焦后轟擊被測樣品表面，樣品表面成 分被濺射出，并有部分被濺射出的原子、分子和原子團被電離，即形成二次離子。二次離子 經樣品表面高壓加速后進入質譜儀進行質量分析，得到樣品在微區范圍內的元素、同位素 信息。使用SIMS分析時，不同元素或者同位素之間的產率不同，即儀器的離子接收器接收 到的不同元素、同位素的信號強度和其在樣品中的真實豐度不成比例。這種客觀存在的現 象稱為儀器分餾。而對于不同基質的樣品，分餾系數會有差別，該效應稱為基質效應。一般 的SIMS分析需要一種或多種已知元素、同位素比值且與被測樣品相同基質，即相同主要成 分和相同物質結構的標準樣品進行元素、同位素分餾校正。自然界中鈾元素存在兩種同位素238U和23%分別衰變成為2tl6Pb和2°7Pb。鈾鉛定 年技術是通過測量樣品中這兩組元素相對豐度來進一步計算從樣品封閉到當前經歷時間 的方法。衰變計算公式如下所示。206Pb = 238U (e&d _ ι)......式(1)207Pb = 235U (eA235t - 1)......式(2)式(1)和式⑵中2°6Pb、238U等標識代表樣品中目前該同位素的相對豐度，其中鉛 同位素是相應鈾同位素的衰變子體，λ 235和λ 238分別是鈾的兩個同位素的衰變常數，t為 經歷的衰變時間，即年齡。經過數學代換，可得到對應的兩個計算年齡的公式，如下式所示。206Pb. — ln^T1)……式(3)1 — ιλ238 207Pbt = ln^T1)……式(4)λ-235式中所指兩種鉛元素都是鈾放射性衰變產生的，而自然界中鈾的兩種同位素235U 和238U的含量比值不變，因此式⑴與式⑵等式兩邊分別相比，可以得到式(5)。該式為 鉛同位素2tl7Pb和2tl6Pb的比值R76關于年齡t的函數，對t為超越方程，1/137. 88為兩個鈾 同位素的固定比值。通過該超越方程得到的t為一個可獨立檢驗的年齡，稱為鉛鉛年齡。R76 = χ ^^……式(5)/b 137.88 ex238t_i、以上三個方程計算出的年齡在誤差范圍內一致時，該年齡稱為諧和年齡。表明礦 物的U-Pb體系自封閉以來沒有發生后期的擾動。鉛鉛年齡是通過鉛的兩個同位素比值計算的，同一元素的同位素一般認為不受儀器分餾的影響或影響很小可忽略不計，但是當年齡值較小時，年齡值對鉛同位素比值過于 敏感，對比值測量精度要求過高，故鉛鉛年齡方法一般只用于測量年齡較老(> 800Ma)的 斜鋯石。樣品中通過測量得到的鉛元素的豐度是放射成因的鉛元素和非放射成因鉛元素 (普通鉛)的總和。普通鉛可能是樣品形成時已經存在的或者樣品制備時實驗室污染的鉛。 式(1)至式(4)中所有鉛元素的豐度都是指鈾元素的同位素放射衰變形成的放射成因鉛， 而不包括普通鉛。故實際測量出鉛元素的豐度后還要扣除其中的普通鉛，才能得到正確的 樣品年 齡。鉛元素的同位素中2tl4Pb完全是非放射性成因的，測量得到2tl4Pb的豐度，根據已 知的2tl4Pb和2tl6Pb的比值及2tl4Pb和2tl7Pb的比值來扣除樣品中2tl6Pb和2tl7Pb中的普通鉛，得 到放射成因鉛同位素豐度。下文中，凡涉及到的鉛元素在沒有特殊說明時都特指放射成因 鉛。使用SIMS進行鈾鉛定年時，鉛元素和鈾元素的相對產率相差較大，即測量得到 的Pb+/u+與實際樣品中的Pb/U值差別較大。故需用年齡已知的標準樣品進行鈾鉛分餾校 正。在實際測量中，對于常見的鋯石樣品(分子式&Si04)，直接測量得到的Ln (206PbV238U+) 和Ln(UO2YU+)有較好的線性相關性，故采用該關系進行鈾鉛的分餾校正。相同年齡的鋯 石樣品在Ln(2tl6PbY238U+)和Ln(UO2YU+)相關圖上成線性分布，以Ln (U02+/U+)為橫坐標x， Ln(206PbV238U+)為縱坐標y，有y = ax+b。對于同樣基質的同一次測量，所有樣品應具有相 同的a值。不同年齡的樣品得到的截距b不同。如圖1所示。圖1中，四個樣品都是國際通用的鋯石年齡標準樣品。1到4號分別為91500鋯 石、BR266鋯石、TEMORA鋯石和Plesovice鋯石，年齡分別為1062百萬年(Ma)、559Ma、417Ma 及337Ma。四條擬合的平行線分別為四個標準樣品對應Ln(2°6Pb+/238U+)和Ln(U02+/U+)的相 關線。直線斜率相同而截距不同。各自截距的差別代表了年齡的差距大小。實際測量中，通 過標準樣品已知的2°6Pb/238U值和實際測量的2°6Pb+/238U+計算鈾元素和鉛元素的分餾系數， 將該系數應用到未知樣品中可以計算出未知樣品的年齡。SIMS鈾鉛定年方法在鋯石定年中有廣泛的應用，是地質年代學中發展比較成熟的 年代測定方法。適合于形成年代約IMa以上的鋯石樣品，幾乎包含了地球自約4567Ma形成 以來所有的時間范圍。主要用于對硅飽和的環境下形成的巖石進行定年。本專利技術中涉及到的斜鋯石被認為是對硅不飽的火成巖石定年的首選礦物，分子 式&02。由于斜鋯石往往結晶顆粒非常小，通常小于30微米，故二次離子質譜(SIMS)的 微區原位定年技術理應是斜鋯石定年的首選手段。然而SIMS對于斜鋯石鈾鉛分餾卻有嚴 重的“光軸效應”，影響了 SIMS技術在斜鋯石定年中的應用。這里的“光軸效應”是指，當 SIMS的一次離子束與斜鋯石晶體光軸成不同夾角入射到斜鋯石表面時，所產生的鈾元素和 鉛元素的分餾不同。對于斜鋯石來說，由于其顆粒極其微小，進行樣品制備時不可能保證 所有的顆粒的光軸都有相同的朝向，即SIMS —次離子束入射到各個樣品表面的方向相對 各自光軸方向不同，通過測量觀察到的鈾鉛比值分布過于離散，不適合實際應用。但是斜 鋯石中鉛同位素比值基本不受“光軸效應”影響，測量值較為準確。目前為止，全世界范圍 都沒有使用SIMS進行斜鋯石鈾鉛定年的數據發表，一般采用SIMS鉛鉛定年方法。具體內 容請見文獻“Crystal orientation effectsduring ion microprobe U-Pb analysis of baddeleyite” Chemical Geology，2000 年，168 卷，75-97 頁。
技術實現思路
本專利技術的目的在于通過優化實驗過程中的技術措施，使斜鋯石在SIMS鈾鉛定年 技術中存在的“光軸效應”減小至地質年代學中可接受的不確定性范圍內。使得SIMS鈾鉛 定年技術在斜鋯石中的應用成為可能，從而應用于廣泛存在的硅不飽和的火成巖石定年。本專利技術的核心在于向斜鋯石樣品表面附近空間持續穩定的吹入一定流量的純氧， 以提高斜鋯石樣品在進行SIMS分析時的鉛元素產率，同時降低其“光軸效應”，提高斜鋯石 SIMS鈾鉛定年的精度，并能應用到實際樣品的測量中去。本專利技術的技術方案是1)將斜鋯石樣品挑選單顆粒礦物100粒左右并制成環氧樹脂樣品靶，樣品靶直徑本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種使用二次離子質譜進行斜鋯石鈾－鉛定年的方法，其特征在于：在斜鋯石樣品表面吹過量氧氣。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉宇，李秋立，唐國強，李獻華，郭春華，
申請(專利權)人：中國科學院地質與地球物理研究所，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]