激光等離子體質譜儀測定鋯石hf同位素組成

激光等離子體質譜儀測定鋯石hf同位素組成

隨著激光侵蝕取樣技術的發(fā)展，利用csi-ton等物理譜儀（tcpms）聯(lián)合起來，獲得了原位微區(qū)域元素和相位分析。該方法已廣泛應用于地殼科學研究。鋯石由于穩(wěn)定性強,抵抗后期地質作用(變質作用、風化作用、蝕變作用等)改造的能力強,具有適中的U、Th、Pb含量和低的普通Pb含量,而被作為U-ThPb同位素體系定年的主要測定礦物。大多數(shù)鋯石具有高的Hf含量(0.5%~2%)和低的Lu/Hf比值(176Lu/177Hf比值通常小于0.002),因此鋯石也成為Lu-Hf同位素體系測定的理想礦物,為探討殼-幔分異和巖漿演化過程提供重要的Lu-Hf同位素地球化學信息。本文報道利用天津地質礦產研究所同位素實驗室的多接收器電感耦合等離子體質譜儀(NEPTUNE)與氟化氬準分子激光器(NEWWAVE193nmFX)聯(lián)用,對目前國際上經常使用的4種標準鋯石GJ-1、91500、MudTank和Temora進行Lu-Hf同位素分析測試的結果。1儀器的動態(tài)誤差本實驗中所使用的多接收器電感耦合等離子體質譜儀為美國ThermoFisher公司生產的NEP-TUNE,其離子光學通路采用能量聚焦和質量聚焦的雙聚焦設計,并采用動態(tài)變焦(Zoom)將質量色散擴大至17%。儀器配有9個法拉第杯接收器和4個離子計數(shù)器接收器,除了中心杯和離子計數(shù)器外,其余8個法拉第杯配置在中心杯的兩側,并以馬達驅動進行精確的位置調節(jié),4個離子計數(shù)器捆綁在L4法拉第杯上。激光器為美國ESI公司生產的NEWWAVE193nmFXArF準分子激光器,波長193nm,脈沖寬度小于4ns,束斑直徑為2、10、20、35、50、75、100和150(μm)可調,脈沖頻率為1~200Hz連續(xù)可調,激光輸出功率為15J/cm2。2測試儀器及方法溶液進樣方式,采用200×10-9標準溶液,蠕動泵將溶液以50μL/min流速送入霧化器,9個法拉第杯同時接收172Yb、173Yb、175Lu、176(Yb+Hf+Lu)、177Hf、178Hf、179Hf、180Hf和182W。數(shù)據(jù)采集過程運用NEP-TUNE(MC-ICPMS)的虛擬放大器技術,分析器采集完一組數(shù)據(jù)后,軟件自動依次更換其后的放大器電路,采集9組數(shù)據(jù)后,各放大器電路與原分析器恢復一致。該技術可有效地消除各法拉第杯接收器的增益不同所造成的同位素比值誤差,提高同位素比值測定的精度。激光剝蝕測試首先對待測鋯石制靶、拋光和照相。將鋯石樣品排列在載玻片的雙面膠上,放上PVC環(huán),然后將環(huán)氧樹脂和固化劑進行充分混合后注入PVC環(huán),待樹脂充分固化后將樣品座從載玻片上剝離,并對其進行拋光,然后對靶上樣品照陰極發(fā)光、反射光和透射光照片。根據(jù)這3種照片選擇鋯石的合適區(qū)域,利用193nmFX激光器對鋯石進行剝蝕,激光剝蝕的斑束直徑一般為35、50或者75(μm),能量密度為10~11J/cm2,頻率為8~10Hz,激光剝蝕物質以高純He為載氣送入Neptune(MC-ICPMS),接收器配置與溶液進樣方式相同。測試采用的接收器配置及相關儀器參數(shù)見表1。176Hf/177Hf比值采用179Hf/177Hf=0.7325進行指數(shù)歸一化校正(即認為2對同位素之間的質量歧視分餾效應符合指數(shù)法則)。176Hf同質異位素的干擾校正:176Hf有2個同質異位素176Lu和176Yb,通過對175Lu和172Yb的測定對176Lu和176Yb進行同質異位素的干擾校正。校正公式如下:式中,176Hfm為包含176Hf、176Lu和176Yb3個同質異位素的測量值,β為質量歧視校正系數(shù),Rm為測量比值,Rt為理論比值,M為質量數(shù)(在計算βYb時,Rm為172Yb與173Yb的實際測定比值,Rt為172Yb與173Yb的理論比值,MA、MB分別為172Yb與173Yb的質量數(shù)),176Yb/172Yb=0.5887,175Lu/176Lu=0.02655。采用179Hf/177Hf=0.7325對Hf同位素比值進行指數(shù)歸一化質量歧視校正,采用173Yb/172Yb=1.35274對Yb同位素比值進行指數(shù)歸一化質量歧視校正。由于鋯石中的176Lu/177Hf比值通常小于0.002,因此鋯石中176Hf的同質異位素的干擾主要來自176Yb。在鋯石激光剝蝕過程中直接測定Yb信號,用剝蝕過程中βYb的平均值作為Yb的質量歧視校正系數(shù)來進行同質異位素176Yb的干擾校正。為檢驗MC-ICPMS(NEPTUNE)儀器的穩(wěn)定性和分析數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性,筆者采用200×10-9的JMC475和JMC14374Hf同位素標準溶液進行了長期實驗測試。JMC475在13個月(2007年5月~2008年6月)內測定結果平均值為0.282163±12(n=40,2SD)(圖1-a),該測定值與文獻報道的值在誤差范圍內完全一致[Nowell等(0.282155±6)],Wu等(0.282158±16)]。JMC14374在近11個月(2009年10月~2010年9月)內測定結果平均值為0.282188±8(n=92,2SD)(圖1-b),該測定值與文獻報道的值在誤差范圍內一致[(徐平等(0.282183±18),Wu等(0.282189±19)]。溶液進樣測試方式的信號采集時間設置得較長,而大多數(shù)鋯石分析信號穩(wěn)定持續(xù)時間不超過1min,因此不適合鋯石的激光剝蝕進樣。徐平等在未使用Neptune虛擬放大器的情況下,采用0.131s的積分時間對JMC14374溶液進行約0.5min(200組數(shù)據(jù))的測量,單次測量的精度明顯下降,但是2種不同實驗方法獲得的Hf同位素組成極為一致,即所獲得數(shù)據(jù)的準確度基本與積分模式無關。因此,筆者在激光剝蝕測試時采用0.131s的積分時間,不使用虛擬放大器。3la-mc-icpms法測定鋯石該鋯石源自澳大利亞Macquarie大學大陸地球化學演化和礦床成因研究中心(GEMOC),為一個寶石級等軸狀巨晶,由TIMS測得的206Pb/238U年齡為600Ma,通過CL、BSE、EMP和MC-ICPMS對其結構和主量、微量元素進行分析證實,鋯石的組成是均一的。筆者分別采用35μm、50μm和75μm激光剝蝕直徑對其進行了測試,獲得的176Hf/177Hf比值分別為0.282004±46(n=28,2SD)、0.282003±31(n=31,2SD)和0.282003±28(n=23,2SD)。3種剝蝕直徑獲得的比值在誤差范圍內完全一致,只是35μm剝蝕直徑獲得的單點誤差較大(圖2)。近12個月以來,在50μm剝蝕直徑下159次分析結果的平均值為0.282006±24(2SD)(圖3),與文獻報道值在誤差范圍內一致(Gerdes等用LA-MC-ICPMS法獲得的比值為0.282003±18,用樹脂分離Hf溶液MC-ICPMS法測得值0.281998±7;Elhlou等獲得的值為0.282015±19;侯可軍等為0.282008±25;Morel等為0.282000±5;Yuan等為0.282013±4)。該鋯石產于澳大利亞東南拉克蘭褶皺帶上的Temora鎮(zhèn),是澳大利亞國立大學實驗室的標準鋯石,顆粒大小幾十到數(shù)百微米不等,206Pb/238U年齡為417Ma。采用50μm剝蝕直徑對其進行測量,獲得的176Hf/177Hf比值為0.282684±46(n=20,2SD)(圖4),與文獻報道值在誤差范圍內一致(徐平等,0.282684±14;Woodhead等,0.282686±7;祁昌實等,0.282706±20;Harrison等,0.282684±36;Hawkesworth等,0.282687±24;Wu等,0.282680±31;侯可軍等,0.282700±64;Yuan等,0.282677±3)。該標準鋯石是一塊保存在哈佛礦物博物館原重達238g的鋯石單晶,樣品產自加拿大安大略省的Renfrew地區(qū),其206Pb/238U年齡值為1062Ma。采用50μm剝蝕直徑對其進行了測量,獲得的176Hf/177Hf比值為0.282305±32(n=32,2SD)(圖5),與文獻報道值一致(Machado等,0.282270±123;Griffin等,0.282297±44;李獻華等,0.282285±10;徐平等,0.282316±4;Goolaerts等,0.282302±8;Woodhead等,0.282293±28;Iizuka等,0.282321±46;Harrison等,0.282315±28;Wu等,0.282307±31;Hawkesworth等,0.282302±18;Yuan等,0.282309±4)。該標準鋯石產自澳大利亞艾麗斯斯普林斯市東北85km的碳酸巖,由ID-TIMS測得的206Pb/238U年齡值為732MaBlack。采用50μm剝蝕直徑對其進行了測量,獲得的176Hf/177Hf比值為0.282509±25(n=48,2SD)(圖6),與文獻報道值一致(Woodhead等,0.282504±44;Griffin等,0.282523±43;Yuan等,0.282506±4)。4hf同位素測定利用天津地質礦產研究所同位素實驗室的多接收器電感耦合等離子體質譜儀(NEPTUNE)MC-ICPMS和氟化氬準分子激光器(NEWWAVE193nmFX),對GJ-1、Temora、91500和MudTank4個標準鋯石的Hf同位素進行了系統(tǒng)的測定實驗,采用剝蝕過程中βYb的平均值來進行同質異位素的干擾校正。測得4個標準鋯