電子探針化學測年技術(shù)

電子探針化學測年技術(shù)

0電子探針化學年代學電子探針儀是一種用于測定和分析單礦微區(qū)域的機器。它的用途是廣泛的。近年來,由于計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展,相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)與使用的加快,使得裝備有高精度的波譜儀的新一代電子探針儀具有數(shù)字化特征、人工智能和自動化的分析程序、網(wǎng)絡(luò)功能以及高分辨率圖象的采集、分析及處理能力。在分析成分的同時可進行礦物微區(qū)的形貌特征和結(jié)構(gòu)分析,真正實現(xiàn)了“一機多用”的目標。電子探針化學測年技術(shù)是一種正待開發(fā)、應(yīng)用于地學中進行年齡測定的技術(shù),美國及日本等國的學者對此技術(shù)作了一些探索性的研究工作。本研究擬首先對獨居石、鋯石等含有U-Th-Pb的礦物并利用對其氧化物成分進行測定來確定它們的年齡。它對研究碎屑巖及河流沉積物的源巖、多期次多階段構(gòu)造的演化史、火山活動等方面具有重要的意義。1放射性成因的pb、th及u的原子數(shù)下面以基于電子探針對獨居石中放射性元素U、Th和Pb的氧化物測定來說明電子探針化學測年的基本原理及年齡計算。232Th、235U及238U3個天然放射性同位素經(jīng)過一系列的α、β衰變最終形成Pb的穩(wěn)定同位素。這3個衰變系列可由以下簡化式表示:232Th→6α+4β+208Pb235U→7α+4β+207Pb238U→8α+6β+206Pb上述放射性系列在地質(zhì)歷史中建立長期平衡狀態(tài)時,就可把U和Th同位素的衰變看作直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的Pb同位素。據(jù)此有3個獨立的方程:N(208Pb)=N(232Th){exp(λ232t)-1}N(207Pb)=N(235U){exp(λ235t)-1}N(206Pb)=N(238U){exp(λ238t)-1}N(Pb全)=N(Pb初始)+N(208Pb)+N(207Pb)+N(206Pb)=N(Pb初始)+N(232Th){exp(λ232t)-1}+N(235U){exp(λ235t)-1}+N(238U){exp(λ238t)-1}若已知放射性成因的Pb、Th及U的原子數(shù),則有:N(Pb)=N(Th){exp(λ232t)?1}+N(U){exp(λ235t)?1}138.88+N(U){exp(λ238t)?1}×137.88138.88Ν(Ρb)=Ν(Τh){exp(λ232t)-1}+Ν(U){exp(λ235t)-1}138.88+Ν(U){exp(λ238t)-1}×137.88138.88將放射性成因的Pb、Th及U的原子數(shù)換算成其對應(yīng)的氧化物PbO、ThO2及UO2的質(zhì)量分數(shù)。據(jù)Williams等人和Corfu的研究成果表明,相對于放射性成因的Pb的量,獨居石含有非常少量的初始Pb;而據(jù)Ko¨o¨ppel和Gru¨u¨nenfelder,Grauert等人以及Ko¨o¨ppel的研究表明,獨居石一般顯示出一致的U-Pb和Th-Pb的同位素年齡,即w(Pb原始)≈0。獨居石中Pb的含量與其從形成以來所經(jīng)歷的時間呈正比。我們按照以下方程式,以來自任何一組ThO2、UO2及PbO的電子探針分析結(jié)果對ThO*2進行計算:w(PbO)Mr(PbO)=w(ThO2)Mr(ThO2)[exp(λ232t)?1]+w(UO2)Mr(UO2)[exp(λ235t)+137.88(λ238t)138.88?1]w(ΡbΟ)Μr(ΡbΟ)=w(ΤhΟ2)Μr(ΤhΟ2)[exp(λ232t)-1]+w(UΟ2)Μr(UΟ2)[exp(λ235t)+137.88(λ238t)138.88-1]上式中Mr表示每一種氧化物的分子質(zhì)量:即Mr(ThO2)=264.04,Mr(UO2)=270.03和Mr(PbO)=223.20;N(238U)/N(235U)=137.88;λ為每種同位素的衰變常數(shù),這里采用Steiger等1977年由國際地質(zhì)年代學分會推薦的值λ232=4.9475×10-11a-1,λ235=9.8485×10-11a-1和λ238=1.55125×10-10a-1。獨居石中w(UO2)、w(ThO2)、w(PbO)和年齡t之間的關(guān)系大致上可按照w(PbO)和w(ThO*2)表示出來。解下列方程式可得到一個大體上的t,此年齡為獨居石形成以來所經(jīng)歷的時間。w(ThO?2)=w(ThO2)+w(UO2)×Mr(ThO2)Mr(UO2)[exp(λ232t)?1]×[exp(λ235t)+137.88(λ238t)138.88?1]w(ΤhΟ2*)=w(ΤhΟ2)+w(UΟ2)×Μr(ΤhΟ2)Μr(UΟ2)[exp(λ232t)-1]×[exp(λ235t)+137.88(λ238t)138.88-1]對上式稍作變換并令m=w(PbO)/w(ThO*2),則獨居石的形成年齡可由下列簡式求得:t1=1λ232ln[(1+m×264)/223.2]t1=1λ232ln[(1+m×264)/223.2]用迭代法求t,經(jīng)計算,迭代18次即可達到年齡的精度要求,即t1、t2……t17、t18。當然,在測試過程中還須對獨居石、鋯石等礦物的測試條件、系統(tǒng)誤差等影響測年精度的因素進行一些校正,如稀土元素譜線間存在的相互干擾等,最終使其能夠反映出獨居石形成的實際年齡。目前,用計算機程序?qū)崿F(xiàn)上述計算是非常容易的。2獨居石pb同位素年齡作為一種新的測年技術(shù),應(yīng)對其可靠性進行分析、驗證。有關(guān)文獻表明,此技術(shù)在測年精度方面存在差異,如MichaelL.W.等人用很多曾經(jīng)通過傳統(tǒng)的同位素法測定過年齡的樣品,來驗證本技術(shù)的可靠性或精度。結(jié)果證明,電子探針測定的化學年齡均在傳統(tǒng)的同位素法測定年齡的范圍之內(nèi)(圖1)。計算年齡的精度可通過上面的測年方程,利用可傳遞的特征X-射線計數(shù)誤差來估計。對于富Th的前寒武系的獨居石(w(Th)>3%),通過計數(shù)統(tǒng)計,其精度≤10Ma,而對于貧Th或更年輕的獨居石精度范圍接近10~30Ma。IngoBraun等人通過對來自印度南部高級變質(zhì)片麻巖中的獨居石測年表明其精度在20~50Ma之間。而CocherieA.等人對獨居石中Pb的行為意義方面進行了研究并經(jīng)與同位素法的對比得出其精度接近20Ma。由于不同學者使用的電子探針儀類型、測試條件、樣品以及計算精度的數(shù)學方法不同而使精度存在差異,但即使在20~50Ma精度范圍內(nèi),電子探針化學測年數(shù)據(jù)完全能夠有效地解決許多構(gòu)造、變質(zhì)作用及火山活動等方面的問題。電子探針應(yīng)用在前寒武系巖石中測試精度較高,而對那些較年輕的巖石可通過補充其他的測年法(如同位素法)或結(jié)合實際的地質(zhì)情況予以解決。因此,將它應(yīng)用于地學中,其可靠性能夠得到保證。作者用取自湖南北馬山花崗巖(經(jīng)U-Pb同位素測定,其可靠的年齡為235Ma)中的鋯石進行了測定,顯示出年齡環(huán)帶結(jié)構(gòu),即為老核新邊,核部的年齡在1000Ma以上,而邊部的為231Ma。U-Pb同位素年齡為兩個區(qū)域某些年齡的均值,它應(yīng)該比邊部年齡大,而比核部年齡小。這與實際的情況一致,說明電子探針化學測年數(shù)據(jù)是可靠的。3電子探針化學研究所的應(yīng)用3.1石榴石礦物成分分析結(jié)果獨居石的電子探針化學測年數(shù)據(jù)、高空間分辨率的成分圖象表明電子探針化學測年技術(shù)方法具獨特性。MichaelL.W.等人用取自加拿大Neil海灣Saska-tchewan的太古宙巖石樣品(96W-19),對其中大顆的石榴石變斑晶中的兩粒獨居石晶體進行了化學測年和測圖,結(jié)果顯示其具明顯的Th、U和Pb環(huán)帶。經(jīng)計算的年齡顯示獨居石晶體大體有兩個區(qū)域,即有一個老核和一個新邊。核部的化學年齡大約是2.05Ga,而邊部則約為1.88Ga。該技術(shù)能夠分辨出年齡為100Ma或更小的區(qū)域。本區(qū)在距今2.6Ga時發(fā)生造山運動并使大量含堇青石的混合巖發(fā)生褶皺、變質(zhì)及片理化。年齡為1.88Ga的獨居石顆粒包在石榴石晶體中,它是由混合巖化形成的,并指示該事件大約發(fā)生在1.88Ga時。兩種年齡區(qū)域的存在,指示巖石保存了其早期歷史的某些方面,并且還有一些熱變質(zhì)事件發(fā)生在2.6Ga和1.88Ga的構(gòu)造運動之間。如果這些組成的獨居石顆粒用傳統(tǒng)的同位素法進行年齡測定,甚至用單晶法進行測試,這時的年齡將會是兩個區(qū)域中一些年齡結(jié)果的平均值,而顯示不出年齡的環(huán)帶結(jié)構(gòu)。年齡測圖能夠顯示出老核新邊的獨居石的存在,從而為多階段巖石以及構(gòu)造運動的研究提供了可靠的證據(jù)。此外,電子探針化學測年技術(shù)應(yīng)用于巖石、礦物和礦床學中,它可對礦石的來源、不同礦物的不同環(huán)帶、不同世代的成分演化乃至時間演化進行分析,并可使年齡數(shù)據(jù)點與成分數(shù)據(jù)嚴格對應(yīng)。因此,當對某些巖體中被測礦物有捕虜體成因、巖漿成因、地幔成因等各種來源時,可分別求出某單一事件的年齡。據(jù)此可得到許多巖石結(jié)構(gòu)、礦床成因、變質(zhì)作用及地質(zhì)找礦等方面的信息。3.2前寒武系片麻碎屑巖中的獨居石日本名古屋大學的KazuhiroSuzuki等人利用電子探針對獨居石Th-U-Pb的測定數(shù)據(jù),利用碎屑獨居石的w(PbO)/w(ThO*2)比值m并參考等時線對比證實,日本東部Mino巖層的侏羅系砂巖源于前寒武系。用電子探針對Mino巖層侏羅系砂巖中的581顆碎屑獨居石進行了精確測定,并計算出它們的m值。大多數(shù)獨居石(581顆中有403顆)集合體中m值在0.0763~0.0618的范圍內(nèi)變化。其他顆粒顯示的m值大約為0.0541(46顆)、0.0364(29顆)、0.0170(24顆)和0.0116(79顆)。m值為0.0763~0.0618的幾乎與來自該巖層的Kamiaso礫巖中前寒武系片麻碎屑巖中的獨居石的m值一致,證實碎屑獨居石源于中前寒武系的片麻巖和花崗巖。Kamiaso礫巖中所取樣品(編號4-50)的前寒武系片麻巖有Rb-Sr礦物等時線年齡(1740±40)Ma和黑云母K-Ar年齡1420Ma;前者可解釋成角閃石—花崗巖變質(zhì)作用階段,后者為一次明顯的熱事件或者是退變質(zhì)作用。Mino巖層及Hida巖層北部的二疊系石榴石-夕線石片麻巖給出了Sm-Nd礦物的等時線年齡(274±13)Ma及黑云母的年齡(161±5)Ma;274Ma的年齡可解釋成Hida地層發(fā)生的主要變質(zhì)事件,而161Ma年齡則為后來的火山活動時間。把兩個片麻巖樣品中所有獨居石的分析結(jié)果都繪制到w(PbO)和w(ThO*2)的坐標圖上(圖2),圖上給出了參考等時線1740Ma(m=0.0763)、1420Ma(m=0.0618)、274Ma(m=0.0116)和161Ma(m=0.0068)。前寒武系獨居石核部的數(shù)據(jù)點(實心正方形)接近落到m=0.0763的線上,如1740Ma為參考等時線;核部w(PbO)的值與在1740Ma時由Th和Pb放射性活度所產(chǎn)生的PbO含量沒有發(fā)生明顯的偏差。邊緣數(shù)據(jù)點集中在m=0.0763線和m=0.0618線之間區(qū)域內(nèi)。這表明獨居石環(huán)帶的m值記錄了1420Ma時的熱事件導致Pb在晶體邊緣有擴散損失。對于Hida巖層,二疊系獨居石核部的數(shù)據(jù)點接近落到m=0.0116的線上,而邊緣的那些數(shù)據(jù)點落在m=0.0116線和m=0.0068線之間的區(qū)域內(nèi),說明碎屑獨居石的m值可成為對碎屑巖來源進行分析并確定年代的方法,它為構(gòu)造、古地理的恢復以及造山帶的巖層分析亦提供了一個重要的方法。90年代以來,中國的荒漠化日趨嚴重,沙塵暴幾乎年年發(fā)生,首都北京也深受其害。為此,找到沙塵的來源,并采取相應(yīng)的措施治理沙塵源區(qū)至關(guān)重要。由于本方法最適于尋找沉積砂巖的源巖,結(jié)合地貌資料及遙感技術(shù)能確定沙塵的源區(qū)并為治理沙漠化提供一整套有關(guān)砂巖演化的基礎(chǔ)性地質(zhì)資料。3.3遼河獨居石在中國北方的應(yīng)用前景作者與日本國立地質(zhì)博物館的橫山一己博士合作測定了取自中國遼河砂樣中的獨居石,分別測出了288顆獨居石的年齡,其中19顆的年齡集中在2500Ma范圍內(nèi),這與遼河穿切中國東北古老克拉通地區(qū)有關(guān)。實際上,遼河群為下元古界(2500±~1800Ma),這部分的獨居石很可能來自其中。將其應(yīng)用于判斷河流等水系沉積物的源巖方面,可為治理泥沙淤積的河流水系提供其源巖方面的地質(zhì)依據(jù)。如黃河等河流的治理,首先要對其泥沙尋根溯源,了解其源巖的形成、演化及搬運史等,而后采取相應(yīng)的措施,從根本上治理沙患。4電子探針化學測年法在我國本世近年來,獨居石的電子探針化學測年技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于巖漿巖和變質(zhì)巖的研究中。它與傳統(tǒng)同位素方法(如質(zhì)譜儀)相比具有明顯的優(yōu)點,但也存在不足之處。其優(yōu)點主要為:(1)它分析快速,測試容易,所需樣品量少且不損壞樣品。每次對獨居石主元素的分析只需幾分鐘的時間(校正后),微量元素的分析約需10分鐘;(2)傳統(tǒng)的測年方法一般費時且費用較高,而電子探針化學批量測年費用較低;(3)電子探針測年可對獨居石的核部和邊緣分別進行測定和定位,并使其晶體的巖相位置與計算的年齡相對應(yīng)。小于5μm微束的高空間分辨率使我們能夠在很小的范圍內(nèi)(幾個微米)對樣品進行大量的分析測試、檢查年齡和成分不均一性或者環(huán)帶結(jié)構(gòu),并且能夠描述它們的形成過程及特征,為我們提供大量的年齡及其相關(guān)信息。在這方面,傳統(tǒng)同位素測年法是無可比擬的。其缺點主要為:(1)它與離子探針或質(zhì)譜儀測年法相比