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LA-ICP-MS独居石的U(Th)-Pb年龄精确测定方法及地质意义探究
张红雨1, 杨立明1,2,3, 苏犁1, 宋述光2, 王大川1
（1.中国地质大学(北京)科学研究院,北京 100083；2.北京大学地球与空间科学学院,北京 100871；3.中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院,北京 100038）
作者简介：张红雨,实验师,地球化学专业,主要研究方向为激光剥蚀电感耦合等离子质谱分析方法及地质应用。Email:zhanghongyu@cugb.edu.cn。
通信作者：苏 犁,教授,地球化学专业,主要研究方向为岩石地球化学和地质年代学。Email:suli@cugb.edu.cn。
引用格式: 张红雨, 杨立明, 苏犁, 宋述光, 王大川. LA-ICP-MS独居石的U(Th)-Pb年龄精确测定方法及地质意义探究[J]. 现代地质, 2023, 37(02): 443-462
摘 要
独居石[(LREE, Th)PO4]在各类地质样品中广泛存在且具有Th含量高和普通铅低的成分特征,可作为U(Th)-Pb定年的合适矿物。本文利用中国地质大学(北京)元素地球化学实验室的激光等离子体质谱仪(LA-ICP-MS),建立了以独居石(44069)为外标的LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb年龄测定方法,通过对捷克南部Bohemian Massif麻粒岩地块长英质伟晶岩(脉)中独居石的对比测定,讨论了不同检测条件(积分时间、激光剥蚀取样方式(点剥蚀和线扫描)、激光束斑直径(25 μm和12 μm)、数据处理软件参数)对独居石U-Th-Pb同位素体系质量分馏的影响。同位素比值和年龄结果对比表明,25 μm点垂直取样和25 μm线扫描取样的分析精度最优;Th-Pb同位素体系的质量分馏略高于U-Pb同位素体系,但误差明显小于锆石,提出独居石的208Pb/232Th年龄与206Pb/238U年龄结果误差范围一致,可作为含高U锆石地质体定年的新途径。对东昆仑清水泉麻粒岩带变质岩中独居石和锆石年龄结果的对比分析,揭示独居石年代学研究可有效地约束缺少锆石生长的沉积变质岩系变质作用时限。LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb定年方法在区域变质、沉积成岩作用、S型花岗岩的精细研究中有广泛应用前景。
关键词
独居石; LA-ICP-MS; U(Th)-Pb同位素; 分馏作用; 年代学
0 引 言
独居石[(LREE, Th)PO4]是泥质变质岩、过铝质酸性火成岩及沉积岩中常见的副矿物,因其富含U、Th 且低普通 Pb,而成为U-Pb年代学研究的理想矿物之一。前人研究[1-3]揭示岩浆、热液、沉积成因独居石的U-Th-Pb同位素比值均较为稳定,U-Pb同位素年龄意义明确。沉积岩中,独居石结晶于沉积作用之后的埋藏-固结成岩阶段,可用以确定沉积岩的成岩时代[4]。S型花岗岩等过铝质火成岩,因成岩温度较低,难以结晶出锆石,所含锆石多为继承锆石,而独居石在该类岩石中多见,是确定岩体成岩年龄的重要研究对象[5-6]。研究表明,在进变质、退变质和热液作用阶段独居石均可结晶[7],为中、高级变质岩的变质作用时限、演化过程精细讨论提供了重要途径。
同位素年代学研究中独居石具有的一些明显优势:(1)大多数独居石形成于成岩作用早期,可呈包裹体形式封存于造岩矿物中,能有效保存其结晶阶段的同位素组成信息;(2)相较于锆石U-Pb同位素体系较高的封闭温度(一般要高于800 ℃)[8],独居石U-Pb 同位素体系的封闭温度略低,约为700 ℃[9-10],但也基本不受后期地质作用影响,而且抵御放射性损伤能力更优[11];(3)与锆石不同,独居石除具有较高的U含量外,Th含量也非常高,因而可同时获得U-Pb和Th-Pb两个同位素体系的精准年龄[12-13]。
最为精确的独居石测年方法为单颗粒同位素稀释热电离质谱法(ID-TIMS)[14-15],但当独居石成分不均一或具多阶段生长时,该方法只能获得无确切地质意义的混合年龄[16⇓-18],因此,原位-微区年龄测定是更优选的检测途径。目前独居石原位、微区U(Th)-Pb年龄测定方法主要有:二次离子探针(SIMS)[19]、电子探针(EPMA)[20]、激光剥蚀多接收等离子质谱(LA-MC-ICP-MS)[13,21-22]和激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)等方法。SIMS法是测量精确度最高的原位测年方法,能够很好的解决铅丢失和普通铅过量等问题[17,23-27],但检测成本高且不能同时获得微量元素含量;EPMA化学测年法,因检出限高,年龄结果精度低,未得到普遍认可;LA-MC-ICP-MS法可准确测定204Pb,但由于受同位素分馏效应的制约,其检测精度与SIMS法相比存在较大偏差[21],且也不能同时测定微量元素含量。近年代来,LA-ICP-MS法具有成本低、检测速度快、样品制备要求低以及U-Th-Pb同位素比值和元素含量可同时测定等优势,成为矿物原位-微区U-Pb年龄测定的重要手段。特别是通过独居石标准样品遴选研究[28],年龄和成分均稳定的独居石标准样品(44069)已可满足采用外标校正法(Standard Sample Bracketing)[29-30]进行独居石原位U(Th)-Pb年龄测定的需要,使得LA-ICP-MS独居石U-Pb年龄测定能取得高质量分析数据[13],年龄结果可媲美二次离子探针(SIMS)法测定的结果[31⇓⇓-34],且该方法可同时测定独居石的稀土等微量元素含量。
本文以选自Wissahickon Formation变质沉积片麻岩的独居石标样44069[28]为外部标准,进行捷克共和国南部Bohemian Massif麻粒岩带、含有锆石标样(Plešovice,206Pb/238U年龄为(337.13±0.37)Ma[35])高温钾质麻粒岩[36-37]中的独居石进行了U(Th)-Pb年龄精细测定,确定了LA-ICP-MS检测数据处理常用软件Geliter[38]、Iolite[39-40]软件的校准参数、不同年龄置信度差异、普通Pb校正方法和不同激光剥蚀取样形态、束斑大小引发的同位素分馏效应对年龄结果影响,进而建立了较完善的LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb年龄测定方法。此外,还选择柴达木盆地北缘2种不同类型的变质岩中的独居石进行了LA-ICP-MS U-Pb年龄测定,深入讨论了火成岩、变质岩中独居石U-Th-Pb年龄的地质意义及其与锆石U-Pb年龄结果的异同。
1 LA-ICP-MS独居石U-Pb年龄测定精度的制约因素
1.1 U-Th-Pb同位素的分馏效应
激光剥蚀产生的同位素分馏效应是LA-ICP-MS独居石U-Pb定年能否获得可靠数据的最重要制约因素。研究表明,引起分馏效应的机理主要包括:元素的化学特性[41]、激光波长和束斑形态及大小[31]、矿物颗粒大小、载带气种类、元素分析扫描方式等,即LA-ICP-MS U-Pb年龄测定中的同位素分馏是多因素叠加作用的结果。前人研究结果揭示束斑剥蚀深度可造成同位素分馏效应的明显变化,通过增加剥蚀束斑直径/深度比[42-45],如进行线状平移剥蚀取样,可有效降低激光剥蚀深度引起的U/Pb和Th/Pb同位素分馏效应,获得稳定的检测信号[41,46]。
针对LA-ICP-MS U-Pb年龄测定过程中产生的复杂的同位素分馏效应,前人以建模开发了Glitter(Macquarie University, Sydney, Australia)[38]、Iolite等数据处理软件[39-40],根据不同检测仪器特性对测量数据进行基底扣除、仪器漂移、内插式质量歧视校正,最大程度校准同位素分馏效应,也有助于获得置信度高的LA-ICP-MS矿物U-Pb年龄结果。
1.2 基体效应
本文研究的花岗闪长质片麻岩出露于黄陵背斜南部古村坪—茅垭地区一带,位于中元古代晚期庙湾蛇绿杂岩北侧(图1)。区域地质调查结果将这套片麻岩划入古村坪组,提出其与黄陵背斜北部东冲河片麻杂岩的形成时代相当[23]。大量年代学研究表明北部东冲河片麻岩作为扬子克拉通最古老基底岩石,其形成时代为2.9~3.0 Ga和3.2~3.45 Ga[5,7 -8],然而背斜南部的古村坪组片麻岩却缺少同位素年代学和全岩地球化学研究。前期详细地质勘查结果表明,花岗闪长质片麻岩强烈变形变质,并遭受构造破碎(图2(a)和(b)),多被北北西向的基性岩脉沿片麻理侵入或与岩脉呈小角度相交(图2(c)和(d)),指示侵入时间与片麻岩片麻理化的时间接近,且很可能遭受同一构造运动。矿物原位成分分析的仪器误差校准可采用无外标校正法和外标校正法。U-Pb年龄测定的无外标校正法基于同位素分馏效应的线性关系[47],用斜率和截距法将检测过程的U-Th-Pb同位素比值归一至激光剥蚀初始点的信号丰度[31,48-49],该方法多被应用于锆石、独居石和磷灰石的LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄测定[34,48,50-52],其优点在于对每一个样品进行校正,而不需要匹配相同基体的外部标样,但同位素分馏效应由多因素引发,而非简单的线性关系[39],因而结果的置信度相对低。外标校正法(Standard Sample Bracketing)[30,50]认为未知样品的分馏行为与标样一致,因此采用基体匹配一致的标准物质同时检测,并对标准物质和未知样品选取一致的信号积分区间计算平均值,进行U-Pb年龄结果的精确校准。近年来前人筛选出的独居石国际标样44069[28],以及不同实验室选择使用的独居石内部标样[13,23],可满足外标法精确测定独居石的U-Pb年龄。
1.3 普通铅校正
含U矿物的U-Pb年龄测定中,普通铅的校正直接影响检测结果的精度,可根据207Pb/206Pb、207Pb/235U、206Pb/238U的大小(207Pb/206Pb < 207Pb/235U <206Pb/238U)来确定普通铅的影响,前人提出了204Pb、207Pb、208Pb校正法[53],对于普通铅含量不同的样品需合理选择普通铅扣除方法[54]。
208Pb校正法限定Th/U<0.5,独居石的U、Th含量较高,且通常Th>U,由232Th衰变产生的放射成因208Pb较高,因此不能采用208Pb校正法来扣除普通铅[52-54]。204Pb普通铅校正法需要通过测202Hg来扣除204Hg对204Pb的干扰,但在LA-ICP-MS检测过程中样品的载气He气中含有Hg,前人研究表明无法获得理想的分析数据结果和精度(±50 cps)[45],在LA-ICP-MS 矿物(锆石、独居石、磷灰石等)U-Pb年龄测定时通常也不采用204Pb普通铅校正法。因此,使用LA-ICP-MS进行独居石U-Th-Pb同位素定年时,一般采用207Pb校正法、Tera-Wasserburg反谐和图解法,以及Andersen[55]提出的U-Th-Pb年龄结果四面体中心校准法等,来进行普通铅校正。
2 LA-ICP-MS独居石U-Th-Pb同位素比值和元素含量测定、数据处理方法
2.1 检测仪器
本次独居石U(Th)-Pb年龄测定方法研究使用仪器为中国地质大学(北京)科学研究院元素地球化学实验室的激光剥蚀等离子体质谱仪(LA-ICP-MS),共有两套激光剥蚀等离子体质谱仪,第一套的激光剥蚀系统(LA)为美国New-Wave公司的 193ss型193nm激光器(LA),等离子体质谱仪(ICP-MS)为美国Anglient公司的7500a型四级杆等离子体质谱仪(ICP-MS)。第二套激光剥蚀系统(LA)为中国EAST LASER科技有限公司的LSPC 193ss型激光剥蚀系统(LA),等离子体质谱仪(ICP-MS)为德国Jena科技有限公司的PQ-MS Elite型等离子体质谱仪(ICP-MS)。
193ss型激光剥蚀系统的能量密度最大为12 J/cm2,激光最大脉冲为10 Hz,激光束斑直径5~120 μm,检测过程的载带气为高纯氦气(0.8 L/min)。在120 μm线状剥蚀进样条件下,调试等离子体质谱仪的背景值、灵敏度、氧化物、双电荷、稳定性等指标,需满足元素浓度测量差达9个数量级,以保证独居石内标元素P和238U、 235U、 232Th、 208Pb、 207Pb、 206Pb的精确测定。
所使用的LA-ICP-MS,在LA与ICP联用通路上,加载了一个实验室自行设计的10 mL体积的圆柱状混样皿[56](图1),将样品室He载带的激光剥蚀样品与辅助Ar气在混样皿中充分均匀化,使得进入等离子体质谱仪(ICP)炬管时的样品达到相对的均一化,有效保证了固体进样模式下等离子体质谱分析信号的稳定性和检测结果精度。
图1 LA-ICP-MS构建中混样皿的连接图
2.2 测试流程
将独居石标准样品(44069)和分选获得的待测样品(PLV-Mnz、11KL-73、11KL-114等)按粒度大小由上至下整齐粘贴于直径2.5 cm的圆形树脂靶中部,树脂固结后磨、抛使大部分颗粒核部露出,拍摄透射光和反射光照片,选择无包裹体、无裂隙,成分均匀的直径36 mm区域用于LA-ICP-MS独居石U-Th-Pb年龄测定。
每个检测点的检测过程:预剥蚀时间5 s(同化ICP-MS本底)+高纯He气吹净20 s(净化ICP-MS)+数据结果信号采集时间45 s(LA连续剥蚀、ICP-MS连续接收元素丰度信号)。采用外部标准校正方法进行质量歧视和分馏效应校正,以硅酸盐玻璃标样NIST 610为外标、Si和P双元素为内标,进行独居石的U、Th、Pb同位素和其它微量元素含量定值;选用基体效应相匹配的独居石标样44069[28]为同位素比值和U-Pb年龄测定的外部标准,进行独居石同位素比值和U(Th)-Pb年龄测定。
2.3 数据处理
采用Glitter 4.4.4(Macquarie University, Sydney, Australia)[38] 或Iolite V 3.32[39-40]软件进行U-Th-Pb质量分馏校正和加权平均年龄计算,根据同位素分馏情况选择相应的模式(如Linear,Exponential,Double exponential,Combined linear and exponential等)进行数据精简(DRS)。选择ISOPLOT 3.23[53]绘制年龄组结果的谐和图解和Tera-Wasserburg反谐和图解。对于普通铅含量较高的样品,将实测数据结果作Tera-Wasserburg反谐和图解,下交点即为206Pb/238U年龄,近似代表样品的形成年龄。通过对比Pb同位素两阶段演化模式[53]和上述获得的样品206Pb/238U年龄,确定样品的初始Pb同位素组成。
在Glitter 4.4.4或Iolite V 3.32软件创建相关参数。(1)元素含量定值外部标准值:输入所使用的美国标准局硅酸盐玻璃标样NIST-610的Si、Ca、U、Th、Pb及其它待检微量元素含量值;(2)同位素比值和U-Th-Pb定年外部标准值:输入独居石(44069 )的206Pb / 238U年龄424.9 Ma和208Pb /232Th年龄(416 ± 3) Ma[5],以及同位素参考比值:207Pb / 206Pb=0.05532,207Pb /235U=0.51950,206Pb/238U=0.06811,208Pb/232Th=0.02124[28],还有Th(31463×10-6)、Pb(611×10-6)、U(3091×10-6)含量[5]。数据处理中,检测样品点选择的样品信号时长不能小于30 s,以保证检测结果的可靠性。
3 独居石U(Th)-Pb年龄测定结果误差评价
为评估LA-ICP-MS独居石检测方法的精准性,选择捷克南部Bohemian Massif麻粒岩地体的长英质伟晶岩中的独居石及锆石进行了精细测定和对比分析。
3.1 方法评价用独居石来源及寄主岩石产地
为便于年龄结果准确性的评价,选择位于捷克南部Bohemian Massif麻粒岩地体的长英质伟晶岩进行独居石和共生锆石的分选。由廊坊市宇能岩石矿物分选技术服务有限公司采用球磨-电磁选-重液分选-双目显微镜下人工挑选的方式进行多个粒级的单矿物分选。
前人研究揭示[57-58],Bohemian Massif麻粒岩地体在约340 Ma时(华力西期)达到麻粒岩相变质峰期后经历了等温减压过程,岩石类型主要包括长英质石榴石麻粒岩、镁铁质辉石石榴石麻粒岩、黑云母石榴石麻粒岩以及超镁铁质岩如蛇纹石橄榄岩和榴辉岩等。麻粒岩块体中的高温钾质麻粒岩[57-58]由钾长石+镁铝榴石+副矿物(锆石、独居石、磷灰石)组成,石榴石在后期退变质过程中退变为黑云母,其中含有大量锆石,且多呈包裹体赋存于黑云母中,锆石U-Pb一致年龄为(337.13±0.37) Ma[59],由于锆石含量高,且同位素比值和成分比较稳定,常被用做锆石U-Pb年龄测定的标准锆石(Plešovice)[35]。对钾质麻粒岩、长英质伟晶岩[57-58]的研究认为它们是Blanskýles massif长英质麻粒岩重熔产物,锆石U-Pb年龄代表了重熔岩浆的固结年龄。
本文研究样品为与含标准锆石Plešovice的钾质麻粒岩共生的长英质伟晶岩(脉),其造岩矿物为石英和长石,暗色矿物含量<2%,显微镜下观察其中副矿物除大量锆石外,也见有独居石呈自形-半自形单晶状产出。在共计876克岩石样品中,分选出8~20目、20~30目、30~40目、40~60目、60~80目和80目以下,不同粒级的锆石近9 g,独居石>2500粒,锆石沿用Bohemian Massif麻粒岩中锆石标样名称Plešovice;共生的独居石命名为PLV-Mnz。
独居石多为无色-黄色透明颗粒,内部含各类包裹体(图2(a)),选择无包裹体、无裂隙的部位备用。
图2 长英质伟晶岩中独居石(PLV-Mnz)的透射(a)和反射(b)光照片
3.2 LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb年龄测定检测条件优选
采用所建立的外部标准(独居石标样44069+含量校准标样NIST-610)同时校正LA-ICP-MS独居石原位、微区U(Th)-Pb和微量元素含量测定方法,对Bohemian Massif麻粒岩地体长英质伟晶岩中的独居石(PLV-Mnz)分别在12 μm×45 μm线扫描剥蚀、25 μm×45 μm线扫描剥蚀和25 μm直径点垂直剥蚀条件下同时进行了稀土等微量元素含量和U(Th)-Pb年龄的测定,进而优化和优选检测条件,3组检测结果的元素含量见表1,年龄结果见表2。
表1 样品PLV-Mnz、11KL-73和11KL-114微量元素含量数据(10-6)
表2 样品PLV-Mnz、11KL-73和11KL-114年龄数据
由表1可见,PLV-Mnz独居石的稀土元素含量和总量相对稳定,12 μm×45 μm线扫描剥蚀、25 μm×45 μm线扫描剥蚀和25 μm直径点垂直剥蚀条件下检测的稀土元素的平均值差异很小,稀土总量(REE)平均值分别为935435×10-6、954441×10-6、892652×10-6,表明PLV-Mnz独居石的化学成分比较稳定,不同激光剥蚀条件下获得的独居石稀土配分型式(图3)一致,均为LREE明显富集的右倾模式,且Eu呈现明显负异常,δEu的平均值为0.11~0.13,指示独居石结晶过程伴随有长石的同时结晶。对比分析表明,12 μm或25 μm的点状或线状剥蚀取样对独居石中稀土等微量元素含量的测定结果无明显影响。
图3 独居石(PLV-Mnz)稀土配分型式图
(a)12 μm ×45 μm线扫描剥蚀;(b)25 μm ×45 μm线扫描剥蚀;(c)25 μm直径点垂直剥蚀
由年龄分析结果(表2)可见,不同激光剥蚀条件下进行的3组独居石U-Pb年龄检测测定,单一点年龄:207Pb/235U介于327~340 Ma之间,206Pb/238U介于331~339 Ma之间,208Pb/232Th介于329~340 Ma之间,同位素比值和年龄较为稳定,长英质伟晶岩中的独居石为近同时结晶。12 μm ×45 μm线扫描剥蚀、25 μm ×45 μm线扫描剥蚀和25 μm直径点垂直剥蚀取样条件下获得的206Pb/238U和208Pb/232Th一致年龄和谐和线年龄图(图4)中,208Pb/232Th年龄分别为(337.2±1.6) Ma、(334.7±1.5) Ma和(334.9±1.5) Ma;206Pb/238U年龄分别为(335.2±1.9) Ma、(337.1±1.5) Ma和(334.3±1.4) Ma,均介于334~337 Ma之间,代表了长英质伟晶岩的成岩年龄。
图4 独居石(PLV-Mnz)U-Pb年龄谐和线图(左)和U-Pb(中)、Th-Pb(右)加权平均年龄
综合对比分析表明激光剥蚀条件为25 μm点垂直剥蚀取样时同位素的分馏效应最小,206Pb/238U和208Pb/232Th年龄误差最小,可作为LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb年龄测定的优选激光剥蚀条件。
3.3 LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb年龄测定结果的准确度评价
Bohemian Massif麻粒岩地体长英质伟晶岩中同时分选出的锆石(Plešovice)LA-ICP-MS 206Pb/238U年龄测定,方法同Su 等[60],结果见表3,一致年龄谐和线图和稀土配分型式图见图5,所获得的U-Pb年龄(336.9±1.6) Ma与前人获得的Bohemian Massif麻粒岩地体高温钾质麻粒岩中锆石(Plešovice)(337.13±0.37) Ma的年龄[59]误差范围内一致;也与共生独居石PLV-Mnz的U-Pb年龄(334~337 Ma)的检测结果一致,揭示钾质麻粒岩、长英质伟晶岩近同时固结成岩,约337 Ma是Bohemian Massif麻粒岩地体发生重熔,形成混合岩、伟晶岩(脉)的峰期时限。
表3 Plešovice锆石年龄及微量元素数据(10-6)
图5 长英质伟晶岩中锆石(Plešovice)LA-ICP-MS U-Pb年龄(a)和稀土配分型式(b)
综合对比分析揭示:捷克南部Bohemian Massif麻粒岩中钾质麻粒岩异离体、长英质岩脉中的独居石、锆石均结晶于335~337 Ma深变质阶段的重熔岩浆,指示熔浆固结成岩过程结晶的独居石和锆石具有误差范围一致的U-Pb年龄,LA-ICP-MS分析方法可较准确地测定独居石U-Pb和Th-Pb年龄。
4 东昆仑清水泉麻粒岩地体变质岩中独居石U(Th)-Pb年龄测定及其地质意义
东昆仑清水泉麻粒岩地体位于东昆仑造山带中段,系530 Ma以来印度—欧亚板块俯冲、回撤和碰撞背景下,经历了长期高压-超高压麻粒岩相改造的变质带,岩石类型有镁铁质麻粒岩(二辉麻粒岩、石榴石-单斜辉石麻粒岩、石榴石-斜方辉石麻粒岩)、石榴石-蓝晶石/矽线石片麻岩,以及变质砂岩-泥质岩-泥灰岩-白云岩碎屑岩-碳酸盐岩[61-62],研究认为原岩为一套火山-沉积岩系[63]。
前人研究确定蛇绿岩中辉长岩的锆石U-Pb年龄为518~522 Ma[62],揭示了早寒武世昆中洋的存在;清水泉高级变质岩带正片麻岩中锆石的U-Pb年龄为(517.0±5.0) Ma;斜长角闪岩的锆石U-Pb年龄为(516±13) Ma[64];高压基性麻粒岩的SHRIMP锆石U-Pb年龄为(507.7±8.3) Ma,指示了洋壳俯冲至40~50 km发生高压麻粒岩相变质的时间[65],表明东昆仑造山带在早—中寒武世之交(510~520 Ma)存在洋-陆汇聚相关的岩浆-变质事件。
4.1 清水泉变质岩中锆石U-Pb年龄
对清水泉麻粒岩地体的含石榴石云母片岩(11KL-73)和石榴石酸性麻粒岩(11KL-114)中锆石进行了LA-ICP-MS U-Pb年龄测定,方法同文献[60],结果见表4。11KL-73中的锆石多以包体形式包裹于石榴石中,多呈椭圆形,CL图像揭示它们多具有核边结构(图6),继承锆石核部的年龄为600~1200 Ma,不一致线下交点年龄为(507±25) Ma(n=30),其中年轻变质锆石的一致年龄为(493.1±1.7) Ma(n=13)(图7(a)); 11KL-114中的锆石也多呈卵圆形,CL图像揭示俘获锆石核的外部锆石多具有杉树叶结构(图6),显示为变质成因锆石,24粒锆石的平均年龄为(511.3±4.9) Ma(n=24)(图7(b)),与区域高压麻粒岩相变质作用时限吻合[65]。
表4 样品11KL-73和11KL-114锆石年龄分析数据
图6 清水泉麻粒岩地体石榴石酸性麻粒岩(11KL-114)和云母片岩(11KL-73)透反射和阴极发光图
图7 清水泉变质岩中锆石LA-ICP-MS年龄结果
(a) 含石榴石云母片岩(11KL-73);(b) 石榴石酸性麻粒岩(11KL-114)
4.2 清水泉变质岩中独居石U-Pb年龄
4.2.1 石榴石云母片岩(11KL-73)中独居石U(Th)-Pb年龄及地质意义
石榴石云母片岩(11KL-73)的主要矿物组合为石榴石+白云母+黑云母+石英+金红石+矽线石+副矿物(独居石、锆石等),具有弱的片麻理,变质相达到高角闪岩相。不同独居石单颗粒的化学成分存在些许差异(表2,图8(a))。25 μm点状剥蚀获得了15粒独居石的谐和年龄(图8(b)),208Pb/232Th一致年龄为(497.9±2.9) Ma(图8(c)),206Pb/238U一致年龄为(495.2±2.3) Ma(图8(d)),两者误差范围一致,但208Pb/232Th 年龄略大于206Pb/238U。与变质锆石的谐和年龄(493.1±1.7) Ma相比206Pb/238U年龄更为相近。
图8 清水泉麻粒岩地体石榴石云母片岩中独居石LA-ICP-MS年龄及其稀土元素配分型式(样品11KL-73,25 μm点状剥蚀)
(a)独居石稀土元素组成;(b) 独居石U-Pb谐和年龄;(c) 独居石Th-Pb年龄;(d) 独居石U-Pb年龄
4.2.2 石榴石酸性麻粒岩(11KL-114)中独居石U(Th)-Pb年龄及地质意义
石榴石酸性麻粒岩(11KL-114)的矿物组合为石英+石榴石+长石+副矿物(独居石、锆石等含量为5%)。其中独居石主要为卵圆形、无色透明颗粒,粒径为100~200 μm(图6)。颗粒内部成分稳定,呈现Eu明显负异常,δEu为 0.005~0.016,具有基本一致的稀土配分型式(图9(a))。LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb年龄测定获得了18颗独居石的谐和年龄(图9(b)),208Pb/232Th一致年龄为(515.7±2.4) Ma,MSWD=1.7(图9(c));206Pb/238U一致年龄为(508.9±2.3) Ma,MSWD=0.19(图9(d)),208Pb/232Th加权平均年龄高于206Pb/238U年龄,标准偏差也明显增大,推测可能与Th含量不稳定有关,206Pb/238U年龄与锆石年龄相对误差较小。
图9 清水泉麻粒岩地体石榴石酸性麻粒岩中独居石LA-ICP-MS年龄及稀土元素配分型式(样品11KL-114,25 μm点状剥蚀)
4.3 变质岩中独居石和锆石年龄的对比
前人[26,66]认为花岗质熔浆从侵位到冷凝的时间间隔相对较短,岩体中独居石和锆石的结晶年龄基本一致。高分异花岗岩和强过铝质花岗岩中锆石常含有非常高的U,而高U锆石的“高U效应”引起的“放射性铅丢失”,会导致其年代学研究比较困难[67⇓⇓-70]。共生独居石可以作为高分异花岗岩和强过铝质花岗岩年代学研究的理想矿物。
变质岩中的独居石记录了较为复杂的峰期以及退变质阶段的历史[67],变质岩中独居石所记录的U-Pb年龄有时比锆石偏小,推测与经历退变质演化历史相关[67]。对东昆仑麻粒岩带石榴石酸性麻粒岩(11KL-114)、石榴石云母片岩(11KL-73,高角闪岩相)中独居石和锆石年龄结果的对比,独居石的208Pb/232Th年龄略偏大,206Pb/238U年龄的可信度较高。
5 结 论
(1)选用独居石标样(44069)作为同位素比值和U-Pb年龄定值外部标准,硅酸盐玻璃标样NIST-610为元素含量定值外部标准的外标校正法(Standard Sample Bracketing)来进行LA-ICP-MS独居石U(Th)-Pb年龄测定的方法,可以获得较精准的独居石U-Pb、Th-Pb年龄;25 μm点状和25 μm线扫描激光剥蚀取样方式均可较好地降低U-Th-Pb同位素随激光剥蚀时间变化引发的分馏效应。
(2)捷克南部Bohemian Massif 麻粒岩地体的长英质伟晶岩和东昆仑清水泉麻粒岩地体变质岩中独居石U(Th)-Pb年龄和锆石地质意义的对比分析揭示:高分异花岗岩中独居石和锆石的年龄结果误差范围一致,因此,独居石可以作为仅含 “高U锆石”地质体定年的理想替代矿物;Bohemian Massif 麻粒岩地体变质重结晶岩石中的锆石和独居石U-Pb年龄(335~337 Ma)误差范围内一致,反映熔浆中结晶独居石与锆石年龄相当。
(3)东昆仑清水泉麻粒岩带变质岩中独居石的U-Pb年代学分析结果反映,206Pb/238U年龄的可信度高于208Pb/232Th年龄。
(4)由于独居石的Th含量明显高于锆石,在LA-ICP-MS独居石U-Pb年代学研究中,可获得较高质量的208Pb/232Th年龄,在年轻火成岩的年代学研究中有良好的应用前景。
致 谢
感谢中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士和中国地质科学院地质研究所万渝生研究员提供了独居石标样44069;研究工作得到国家自然科学基金项目(42103061,91955202,92062219)和北京离子探针中心开放课题基金资助。
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