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矿物原位U-Pb同位素定年几个问题(一):外标法的普通铅校正

2020-10-13

矿物原位U-Pb同位素定年是最常用的地质定年方法之一,测试矿物从常规的锆石、磷灰石、榍石、独居石、磷钇矿、锡石等发展到对石榴石、黑钨矿、白钨矿、碳酸盐矿物等的尝试。其中LA-(MC)ICP-MS法由于经济性、时效性等优势,使其成为最普遍的方法。这种方法常常使用外标对同位素比值进行校正,然而对于含普通铅的矿物,测试过程中选择不同的校正矿物及不同校正模型进行数据处理将对最终数据产生很大的影响。

普通铅

普通铅是指非放射性成因的铅。由于矿物结构特性,一些用于U-Pb测试的矿物如磷灰石、榍石、褐帘石、钙钛矿等在形成时晶格中就会存在一定量的普通铅,加之后由铀钍放射性衰变形成的放射铅称之为矿物总铅,通常用f206f206=206Pb普通铅/206Pb)来描述普通铅206Pb的所占比值。

常使用的普通铅校正有:207Pb校正法、204Pb校正法及208Pb校正法。由于204Pb 丰度最低,并且在(MC)ICP-MS的204Pb测试时会受到同质异位素204Hg的干扰,通常不使用204Pb校正法。最常使用的是207Pb校正法207Pb法校正原理是:当矿物存在一定量的普通铅,在T-W协和图解中测试的207Pb/ 206Pb-238U-/206Pb的比值呈现线性关系分布,此直线与协和线形成的下焦点为样品的形成年龄,而截距为样品的初始铅,用(207Pb/206Pb)0表示。

在对普通铅含量较高的矿物进行测年时,由于用来做校正的外标通常也会含有一定比例的普通铅(图1),所测比值并非定值,标样也需要进行铅校正,因此校正方法及模型对于获取准确的测年数据非常重要。

矿物原位U-Pb同位素定年几个问题(一):外标法的普通铅校正
图1. T-W图上一些典型含普通铅矿物标样f206特征

基体匹配

基体效应是指样品的化学组成和物理、化学状态的变化对待测元素在测试仪器中的读数所造成的影响。LA-ICP-MS测试中由激光进行样品的取样,在激光照射后,样品会等离子化,冷却后带入ICP-MS读数。由于矿物对光的吸收率的不同、光致等离子形成的高温高压反应环境、气溶胶的传输过程中的物理分异、并且无消减基体的步骤,可以预见测试的基体效应会非常强。事实上,即使同类矿物仅仅是化学性质稍有差别的同类矿物,如高U锆石和低U锆石,也需要激光的能量、光斑大小、气溶胶的运输方式、仪器的状态保持在一特定范围内才能将基体效应压低到可接受的范围。如图2所示,使用不同矿物对锆石91500(1064Ma)进行U-Pb同位素校正会导致206Pb/238U-207Pb/235U比值出现很大且不均匀的误差(-15% ~10%),且测试条件稍加改变(如改变光斑大小),偏差也会发生变化。相对而言207Pb/206Pb的偏差比较小,波动范围在-4 ~8%之间。总体看来,如果使用基体不匹配的矿物校正,最终的数据显然会出现比较大的误差(图3)。

矿物原位U-Pb同位素定年几个问题(一):外标法的普通铅校正
图2.使用不同矿物对锆石91500(1064Ma)进行校正获得的锆石同位素比值偏差

间接校正法的校正误差

考虑到基体效应,大部分实验室都使用的间接二次校正法,即用一个普通铅含量极少的矿物(通常是锆石)作为基准,再通过同类矿物的标样在T-W图解进行一次校正使得标准样品与参考值相等。这种校正方法最后并不是获得206Pb/238U、207Pb/206Pb的真实校正值,而是将206Pb/238U、207Pb/206Pb校正值限定到一定的数学模型范围内。由于206Pb/238U的校正偏差会明显影响下焦点的年龄(图3),所以校正可以获得比较好的效果,但是207Pb/206Pb基本无法通过此方法准确校正。由于207Pb/206Pb的基体效应一般没有206Pb/238U明显,通常对于相对低普通铅的样品(f206<30%)或是f206变化范围比较大的样品是能够获得比较准确的年龄的,但对于高普通铅且f206比较稳定的样品有可能会出现较大的偏差(图4)。

矿物原位U-Pb同位素定年几个问题(一):外标法的普通铅校正
图3.数学模型计算的各类校正偏差对最终数据结果的影响
矿物原位U-Pb同位素定年几个问题(一):外标法的普通铅校正
矿物原位U-Pb同位素定年几个问题(一):外标法的普通铅校正
图4.不同校正方法对高普通铅样品最终数据的影响

优化间接校正法及直接校正法

对于207Pb/206Pb的校准可以通过使用Stacey& Kramers(1975)模型进行校准,但有些情况反而会导致数据出现更大的偏差;或是通过直接测试与待测矿物同期的低U矿物如长石的207Pb/206Pb来确定初始铅,既而带来的问题是:使测试流程变得复杂且同样缺乏基体匹配的标样。通过优化校准模型,是可以将间接校正法的207Pb/206Pb校正偏差适当的压缩,得到相对更为准确的数据,并且即使用含普通铅较高的标样来校准一样能够获得比较好的校正效果(图5),但使用直接校正法即通过基体匹配的标准样品直接获得207Pb/206Pb、206Pb/238U校正系数才是解决问题的根本。

矿物原位U-Pb同位素定年几个问题(一):外标法的普通铅校正
图5.优化过的校正模型获得的校正系数

另外,间接校正法因为使用了不匹配的标样,样品在处理的过程中必须严格的保证所采用的数据段与标样对齐,即使采用如Iolite、Zskits这样的可以进行Downhole fractionation校正的软件也不能改变区间,而用同类矿物直接校正法在完成了Downhole fractionation校正后,可以完成捕掳体信号扣除、区间选择等功能,获得更准确的数据。

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