离子探针锆石U-Pb定年的''高U效应”

        锆石 U-Pb 定年是大型离子探针 ( SIMS， 包括SHＲIMP 系列和 CAMECA 系列仪器) 的主要应用之一，特点是空间分辨率高， 以 10 nA 的一次 O^2- 束流，在一个常规束斑 20 × 30μm 椭圆面积上剥蚀12min， 剥蚀深度小于1μm， 总消耗锆石量在 2ng左右。

如此低的样品量而要获得高精度的数据， 从统计学角度分析， 二次离子计数越多， 分析误差则会越小。按这个思路， 相同仪器条件下分析年龄相近的样品，锆石 U( Pb) 含量越高， 理论上获得的数据精确度更高。

然而，研究中越来越多的实例显示，理论上年龄一致的锆石， 如简单岩浆岩中的锆石，在较低 U 含量范围(＜1000 × 10^－6) 的锆石 U-Pb表观年龄相对一致， 而在 U 含量高到一定程度之后，U-Pb 表观年龄经常随 U 含量( 一般大于 2000 × 10^－6) 有明显的偏高现象， 被称为“高 U 效应”

图1 高U锆石离子探针U-Pb定年的实际表现

(a) 年龄较老的锆石，U 含量越高放射成因 Pb 丢失越多; 

( b) 一般“高 U 效应”表现为随 U 含量升高而 Pb /U 表观年龄偏老;

( c,d) 高 U 锆石可同时存在偏老的“高 U 效应”和偏年轻的 Pb 丢失效应

图2 离子探针锆石测试 U⁺ 计数与相应 UO₂⁺ /U⁺ 值关系

  中国科学院地质与地球物理研究所 李秋立 研究员从 U-Pb 衰变过程可造成锆石晶格的损伤、后期热愈合作用造成损伤锆石的结构变化、离子探针 Pb/U 离子化效率差异等三个因素进行研究，表明离子探针锆石 U-Pb 定年引发的“高 U 效应”使得 U-Pb 表观年龄变老， 但部分样品也会同时受 Pb丢失影响而变小。 对于单个高 U 锆石测点来说， 离子探针 U-Pb 年龄偏差较大， 需要根据一组高 U 锆石测点 U-Pb 年龄和 U 含量的相关性给出更为合理的年龄结果。

锆石的“高 U 效应”源于蜕晶化和 /或后期热愈合使得锆石处于晶态 SiO2、ZrSiO4 和无定形 SiO2 的混合状态， U 和 Pb 在不同基体中发生了分异，离子探针激发过程中 U-Pb 离子化效率相对晶态标准锆石存在显著差异而导致。测试过程中应尽量避免高 U 锆石的测试， 可根据 CL 图像做筛选。如果一个样品基本都是高 U 锆石， 建议用同样品的其他矿物，如独居石、磷钇矿、榍石等代替。