電子探針化學測年技術及應用

電子探針化學測年技術及應用
摘要：介紹電子探針化學測年原理和計算方法，并運用-a．例證明它是一項簡便的地質(zhì)定年方法，用此方法測定的 年齡數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法測定的年齡數(shù)據(jù)具有可比性．另外簡要的對這種方法進行了評價，并指出這項技術 在地質(zhì)問題研究和環(huán)境治理方面的應用前蒂．

I 探針rl l9¨t紀30年代發(fā)叫以米，塒物質(zhì)的微 分析J ：，卜r 大影響。其用途也f{益廣泛．劍r 60 年代，地質(zhì) 家就已絳』IJJ 分析礦物ffI的主元素，偶爾也從寓U幣¨ Fh的礦物 II撥得“化學年齡”，f【f從實川 意義 }』}：，~IIl UJ 的力 法都／f 孵．A4t：．束，『f1 f引‘算機技術、門動化技術、光電技術的迅猛發(fā)展，}U 探針分 析技術 l‘r質(zhì)的提高． I J 抓針化學測 _支術il-址 這些技術進步過程lII成長起求的．此項妓術 I_1．1. {奪 、 ： Suzuki等 人 f¨ ，之 法 、德. 、 火 一 學 也塒此作r ·lit．探索 Pt-：fig#)t： J1；~Ill 21．『q內(nèi) ft科院的 川劍雄等人也兒 川【I、』進行類似的研究， 取得一些成 ．小義以獨』一 為例， ‘允刈 電子探針化一、~-N’F 技術進行閘述，然 說fIJJ這個研究成 地質(zhì)領域的 用Ij{’『 j}． 1 基本原理和年齡計算 下I(if~2電子探針刈‘獨 i。 -ft的放射性元索Th、U、Pb的 化物測定為例，說叫fU子探針化 測41-技術 的 小原 141-：齡汁釬：． I’h、 U、 U 利 人然放烏lf I’I-：M{~t索 過一系列的a、 衰變最終肜成lJb的穩(wěn)定川化索．這3個衰 變系列川‘以I『J F 個式子 爪： 32 I’h— 6a +4 + (’8i,b 35U 一7a +4／?+2o7I％ 0 U_’8a+6／3+2o6I}b {j 述衰變 漫KV,J地質(zhì)歷史f}lI建 平衡1t寸，就 以把Th不11 U的衰變 接轉(zhuǎn)化為相應的I】I】同位素， 據(jù)此建 3個獨 力 程J1j來計算 [t~lh】內(nèi)累積起來的放射性成 的Pb：
(2~spb)= ( Th)×[cxp(’~232t) 1]
N( ‘ Pb)=N( U)×[exp(’~235t) 1]
N( ‘ PB)= ( U)×[exp(／~238t) 1] 式lII (132Th)、N(235U)、 (238U)址十I1塒眥兀素仍然存 的原子數(shù)， 表示各 他素衰變常數(shù)： 232=4，9475× 10 ¨“ 、 235二9．8485× 10 .“ 、 238二1． 55215× 10 0“ ． Ih于多數(shù) 川t的獨』 峙 『1形成后一lJI=處于=封閉系統(tǒng)，并fJ+ q’-tl 放射性成『人1的Pb呵以忽略 計，并 考慮現(xiàn)在’If：常臼n的比值N(238U)／N( u)=l 37，88[ ．則獨居 PI)的總禽 為： (Pb)= ( Pb)+ ( (’7pb)+ ( ‘’6pb) (Pb)= ( I、h)×{exp(2232t) 1 + (U)×{[exp(,~235t) 1]+137．88×[exp(2238 z) 1]} 電子探針測定的是氧化物的含量，因此將Th、U、Pb的原子數(shù)換算成其對應的氧化物Tho2、uoa、PbO 的質(zhì)量分數(shù)，得(2)式： w ( PbO) ： (_， ×[e 232f)一1]+—w(U — O2) M(ThO2) xp( M(UO2)×[ 6 —— x L ^232f 一‘J十—— x l exp(a235t)+137，88×exp(a238t) 138． 88 式中M 表示每種氧化物的分子量，取M(PbO)=223．20、M(Th()2)=264．04、M(U02)=270．03，將一單點 電子探針分析所得的一組氧化物含量數(shù)據(jù)代入(2)式，就得到了一個化學視年齡(t)．再由于獨居石中 Th—Pb系統(tǒng)占支配地位，所以將u衰變效果按照成Pb量相等折算成Th衰變效果，構建虛擬的釷含量W (Tho2 )，通過對同成因礦物微區(qū)的多點分析，利用等時線法獲取其微區(qū)的等時年齡(T)： w(ThO2 )=w(ThO2)+ } ×[ 蟄 - ÷ } 一 ](3) 這樣就可在以W(PbO)一W(ThO2 )為坐標的坐標系巾構造一條斜率為S，截距為b的等時線： (PbO)=S×W(ThO2 )+b，其中b是非放射性成因Pb的含量，s是等時年齡T的函數(shù)： T = ×In 1+ S × DU ^， ’ 』ⅥI ，]J (4) 再通過(4)、(3)式對T進行迭代多次即叮達到年齡的精度要求．當然，在i貝0試中還須對獨居石的測試 條件、系統(tǒng)誤差等影響測年精度的因素進行一些校正，使其能夠反映出獨居石形成的實際年齡．目前使用 MATLAB能成功的實現(xiàn)上述計算．

2 電子探針化學測年技術的應用
2．1 對多階段地質(zhì)構造成因的分析 電子探針[大j為具有高卒問分辨率(約為1 m)，比離子探針的分辨率(約為20 m)要高一個數(shù)量級，所 以能夠?qū)ΦV物顆粒做精細的化學成分掃描，提供 小微區(qū)的年齡，并且所作的電子圖像使得成分數(shù)據(jù)點與年 齡數(shù)據(jù)嚴格對應，而傳統(tǒng)的測年方法只能提供整個礦物的混合年齡，或者因為分辨率太低而無法提供更加詳 細的地質(zhì)事件信息．所以用電子探針測得的數(shù)據(jù)來確定地質(zhì)年齡能夠很好的解釋多階段的地質(zhì)演化． Michael L．W．等人對取自Saska—tchewan北部Nell海灣的古老巖石樣品中的獨居石進行了研究．結果 示獨J一石j={．有叫顯的Th、U、Pb環(huán)帶．計算的年齡顯示獨居行有兩個年齡 域，其核部年齡是2．05 Ga，邊 部年齡是1．88 Ga[2 ．兩種年齡區(qū)域的存 ，說明獨居石在這地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷丁不同的地質(zhì)歷史事件，同 時也為多階段巖 以及構造運動的疊加研究捉供_r可靠的汪據(jù)．周劍雄等人對新疆土屋一延東銅礦礦區(qū)外 圍南部的一個深成侵入體一黑云母二長花崗巖的獨居行進行6個顆粒、20個點的{=914試得到單點年齡的算術 平均值為325 Ma，等時年齡為286．8±36．8 Ma，得出該 母二長花崗巖是形成于晚石炭世的深成侵入 體 ． 更為靄要的足，電子探針的原位分析和高 問分辨率特點，為區(qū)域大地構造和 微構造的形成提供了一 種令新的地質(zhì)年代數(shù)據(jù)，從而為變質(zhì)、變形作用過程巾P(壓力)一T(溫度)一t(時間)一D(變形)之間的關 系提供了絕對時問的制約，為解決 微構造和結構分析中長期存在的三個問題：
(1)變質(zhì)組合年代的制約；
(2)變質(zhì)組構時問的制約；
(3)復雜地質(zhì)年代數(shù)據(jù)解釋，提供1r新的解決 法_4j．Williams M L等人利用電子 探針測年法把絕對時問成功的引入 微構造分析，實現(xiàn)_r真正意義 卜的顯微構造原位定年_5 J． 同樣，電子探針化學測年技術應用于巖 、礦物和礦床學中，可對礦石的來源、 問礦物的不同環(huán)帶、不 同世代的成分演化 j至時問演化進行分析，據(jù)此n 以得到許多巖石結構、礦床成因、變質(zhì)作用及地質(zhì)找礦等 方 的信息．
2．2 探尋碎屑巖、水系沉積物的源巖 Suzuki K等人利用電子探針對碎屑獨肼石【f|Th—U—Pb的含量測定，再利用W(PbO)／w( rhO2 )的 比值"z并參考等時線W(Pb0)=S×W(ThO2 )+b對比證實，日本東部Mino巖層的侏羅系砂巖中的碎屑 獨居 源于巾前寒武系的片麻巖和花崗巖l6 J．張照志等人測定取自中國遼河砂樣中的獨居石年齡，其中19 顆獨居石的 齡集中在2500 Ma范圍內(nèi)，認為這IIj遼河穿切東北古克拉通地區(qū)有關，而這部分獨居石和可 能來源于遼河群地層(年齡為2500 Ma一1800 Ma)E ．碎屑巖、水系沉積物源巖的成功探尋，為古構造、古地 理的恢復和造山帶巖層的分析提供了一個重要的方法．就目前來說，可用來確定我國沙塵暴中塵沙的來源， 同樣可以確定河流淤積物的來源，為環(huán)境治理提供幫助．

3 電子探針化學測年方法的評述 電子探針化學測年方法在地質(zhì)構造[ ，。’ j和環(huán)境治理[ ， ]的成功應用表明它比傳統(tǒng)的測年方法有明顯 的優(yōu)勢，作為一種新的測年技術，同樣具有很好的可靠性和發(fā)展前景．Michael L W，Mnot J，周劍雄等人的 研究結果證明，電子探針測定的化學年齡均在傳統(tǒng)的同位素法測定的年齡范圍之內(nèi)[ ，引． 此項技術的優(yōu)點主要是：(1)分析快速，測試容易，所需樣品量少且不損壞樣品．一個完整的測年過程一 般在幾十分鐘內(nèi)完成，提高了工作實效；(2)電子探針可對獨居石的核部和邊緣分別進行測定，并使其晶體的 巖相位置與計算的年齡相對應，實現(xiàn)真正的微區(qū)原位測年；(3)電子探針的全巖分析還可以獲取獨居石中主 元素和稀土元素的成分特征，可以指示獨居石的地質(zhì)年代學研究，而各種電子圖像或x射線元素分布圖像 對解釋礦物及其所在巖石、地質(zhì)體的地球化學的演變具有重要意義． 缺點主要是：(1)電子探針測年精度和靈敏度要比離子探針或質(zhì)譜儀測年法低一個數(shù)量級，且不確定性 在50 Ma之內(nèi)．所以一般只用于測定年齡大于100 Ma的礦物[3 J；(2)本方法測試計算過程中忽略的條件，可 能影響測試精度．

4 結束語 總之，用電子探針測年方法能夠得到海量年齡數(shù)據(jù)，可利用統(tǒng)計學的方法對其進行適當分析．數(shù)據(jù)越 多，其值越真．現(xiàn)有的研究表明電于探針化學測年技術無論是在地質(zhì)問題研究中，還是在環(huán)境治理等領域都 將有所貢獻．