1、1电子探针化学测年方法的应用摘要介绍含 Th-U- Pb 矿物电子探针化学测年方法的基本原理 , 并利用应用实例说明该方法在研究岩石形成年龄、构造热事件年代等方面的重要作用, 最后简要评价该方法的优、缺点,并指出它的应用前景,认为电子探针化学测年方法将有可能在深源岩石包体年龄研究、含放射性元素矿床形成年代研究等方面大有作为, 并使地质年代学研究更加精细化, 有助于深入探讨复杂地质事件及其演化历程。关键词：电子探针化学测年方法；锆石；斜锆石；独居石；变质变形地质事件 2前言电子探针技术主要用于材料微区化学成分定量测定及表面微形貌研究。1991 年, Suzuki 和 Adachi 1, 2 将矿
2、物微区化学成分含量( Th, U , Pb)与放射性元素 ( Th, U ) 衰变理论相结合, 形成了独特的电子探针化学测年方法。他们对前寒武纪锆石、独居石等矿物进行了测年, 取得了一定的效果。 10 多年来, 不少地质工作者利用该方法解决地质年代问题, 取得了大量成果 1 14, 尤其在造山带研究中成果显著 1, 2, 4, 6, 11, 14 。同时, 该方法也在实践中不断完善、日趋成熟, 已成为了微区测年、提供详细年龄资料的有力工具。31 基本原理天然形成的锆石、斜锆石、独居石等矿物中一般都含有一定量的天然放射性元素 232Th、235U、238U,它们经过一系列的 A、B 衰变后最终形
3、成 Pb 的稳定同位素:在地质历史中, 当上述放射系列建立起长期平衡时,就可把钍、铀同位素的衰变看作直接转化为相应的铅同位素。因此, 三个独立的方程用来计算放射性成因的铅:式中 N ( 232Th) 、N ( 235U ) 、N ( 238U ) 为仍存的 232 T h、235U、238U 原子数, K232、K235、K238 为 232Th、235U 、238 U 的衰变常数。若普通铅含量忽略不计, 同时假定矿物中 Th-U-Pb 体系为封闭体系, 没有 Pb 等元素的损失或增加 , 并考虑到正常铀现今比值 N (235U)/ N ( 238U) = 1/ 138, 则矿物中铅原子数为将
4、(1) 式中 Pb、Th、U 的原子数换算成对应的氧化物4PbO、ThO 、UO 的质量分数, 有:22(2) 式中 M( PbO) 、M( ThO ) 、M( UO ) 分别为氧化物 PbO、T hO22、UO 的分子质量。每一单点的电子探针分析得到了一组氧化物含2量数据, 代入( 2) 式,就得到了一个化学年龄。这个年龄只是视年龄, 对同成因的矿物微区采取多点分析,并利用等时线法可获得矿物微区的形成年龄 1, 2 。具体做法:先将钍衰变效果虚拟折算成铀衰变效果(成铅量相等) , 构建出虚拟的 UO 含量( w ( UO ) ) , 22即( 3)这样, 理论上所有的分析数据将落在直线 w
5、(PbO)= k#w (UO*2) 上。然后通过实测多点分析数据,采用最小二乘回归法计算出该直线的斜率 k 。最后通过公式( 4) 计算出矿物形成的最终年龄 T 。(4)目前已有较成熟的计算程序对电子探针化学成分分析数据进行处理。实际上,矿物中可能含有一定量的初始铅, 一般情况下, 应做电子探针化学测年结果与其它方法得出的年龄结果的对比研究。52 应用实例2. 1 岩石形成年龄研究用电子探针化学测年方法对产在变质岩、岩浆岩中的同源锆石、独居石、磷钇矿等矿物进行定年,得到这些矿物的结晶年龄, 也就得到了岩石的大致形成年龄。许多学者用该方法得到的研究结果与用其它方法得到的年龄结果是一致的 1 14
6、 。最近, J.E. French 等 13 利用该方法对产于镁铁质岩中的斜锆石进行了测年研究, 取得了较好的效果。他们对 5 种来自不同地区的斜锆石分别进行了电子探针化学测年( EM) 与同位素稀释法测年( IDT IMS) , 得到的结果具有一定的一致性。从表 1 可看出 3 种斜锆石两种方法得到的年龄值仅相差30 60 Ma, 另2种的年龄值电子探针化学年龄要比同位素稀释法年龄约大140 Ma。这些分析数据也证明了电子探针化学测年方法能提供可靠的前寒武纪斜锆石年龄信息。由于许多镁铁质岩石中都含有斜锆石, 因此该方法有可能在今后确定镁铁质岩石形成年龄方面被广泛应用。62.2 变质变形年代研
7、究电子探针具有高的空间分辨率( 约1Lm),能对矿物颗粒做精细的化学成分扫描工作。矿物化学成分的环带结构也暗示着矿物形成年龄的环带分布。矿物形成后, 许多情况下会受到后期的地质作用影响, 发生重结晶、再生长。电子探针化学测年方法能描绘出矿物中不同部分的年龄结构, 以分析地质事件的演化历史。鉴于此, 该方法常用在变质变形年龄研究中, 尤其在造山带构造热事件年代研究中取得了突出的成果 1, 2, 4, 6, 11, 14 。M. L. Williams 等 11 及C. F. Kopf 12 对加拿大Saskatchew an 北部Neil 海湾地区古老变质岩中的独居石进行了研究。图1a 示产在石
8、榴石变斑晶中的独居石包体的结晶年龄域, 图1b 示基质中独居石晶体生长的年龄域。变质岩中的大多数独居石晶体都至少包含两个年龄域, 众多的分析数据显示, 除了更老的晶核外, 独居石的生长事件发生在1910,1 880, 1840, 71800 Ma 4 个时期, 较老的两个年龄( 1 910, 1 880 Ma) 来自石榴石中的独居石包体, 堇青石中独居石包体年龄为1 840 Ma, 与夕线石、黑云母共生的基质独居石晶体的边缘显示出1 800 Ma年龄, 这些年龄数据也揭示出: 该区的高温高压熔融作用及石榴石生长主要发生在1910 1 840 Ma, 减压作用及堇青石生长主要发生在1 840 M
9、a之后, 最后阶段的构造作用及退火作用大约发生在1 800 Ma。这也反映了该区岩石经历的由地壳深部抬生至浅部并遭剥蚀作用的演化历史。产在变质岩中的独居石常呈现出一定的变形结构或是次生生长边, 对这些独居石进行测年能大致确定变形事件发生的年代。M. L. Williams 等 11对产在糜棱岩带中的变形独居石进行了研究。图2显示了独居石次生生长边的年龄及其构造成因解释。晚期右旋剪切作用影响下形成的次生生长边年龄指示出晚期的这次剪切事件发生在1 805 Ma 左右。8产在变质岩中的独居石常呈现出一定的变形结构或是次生生长边, 对这些独居石进行测年能大致确定变形事件发生的年代。M. L. Will
10、iams 等 11对产在糜棱岩带中的变形独居石进行了研究。图2显示了独居石次生生长边的年龄及其构造成因解释。晚期右旋剪切作用影响下形成的次生生长边年龄指示出晚期的这次剪切事件发生在1 805 Ma 左右。2.3电子探针在测定晶质铀矿年龄中的应用最近2 一3 年为研究花岗岩中铀的配分问题, 我们对岩体人工重砂中分选出的晶质铀矿进行了电子探针分析, 共积累了几十个晶质铀矿的分析数据。根据以往晶质铀矿铅同位素的质谱分析资料, 其中的铅大部分为放射成因铅, 而普通铅所占的比例甚小(见表1 )。法国的朗香曾用电子探针对晶质铀矿颗粒测定的U，T h，Pb 含量计算过法国中央地块二云母花岗岩的年龄1。我们利
11、用探针分析数据计算了18 个岩体及矿床的粗铅年龄值, 并与已有的同位素地质年龄进行了对比, 其结果对于绝大多数岩体来说, 大的地质时代, 如燕山期、海西期 是一致的。我们所采用的年龄计算公式为: 式中U，T h.Pb分别代表该元素在晶质铀矿中所占的重量百分数。 9利用电子探针分析岩体中晶质铀矿的 U 、T h 、Pb 含量, 最大的优点是可以根据扫描图象来选择具有代表性的颗粒做为分析对象,快速、简便、成本低。今后如将分析方法加以改进,提高测量精度,尤其是提高铅的测量精度, 则通过此法计算出的年龄数据将会更加准确金滩岩体是一个多期复式岩体,电子探针分析了取自不同期次岩体的晶质铀矿, 对其中三个样
12、品同时做了化学分析, 现把探针和化学分析结果一并列人表 2 从该表2 中可以看出101：电子探针分析结果与化学分析结果相比较,Th和Pb 的含量比较接近,而化学分析的U 含量偏高, JT 一2 及JT 一3 两样品中氧化物的总量均已超过百分之一百。2：根据电子探针分析结果, 燕山早期和印支晚期花岗岩中晶质铀矿的铅含量为26 一32 % , 而加里东期岩体中晶质铀矿的铅含量为4.26一6.3% , 这正与晶质铀矿形成年龄的较轻与较老相符合,也就是与岩体形成的年龄新、老相符合。3：加里东期岩体中晶质铀矿的含量很低, 砚溪岩体角闪石岩中含晶质铀矿仅0.10.2克/ 吨, 如欲从中选出20 毫克的晶质铀矿送同位素年龄分析, 则需采新鲜岩石100 公斤, 进行破碎、淘洗、分选等，其工作量是相当大的。根据花岗岩研究组的统计1毫克重的晶质铀矿约含10颗直径为50士um 的晶粒。送一个同位素年龄分析, 按送样要求样品量为20毫克,即需挑2000个晶质铀矿颗粒, 而送探针分析仅10 数个颗粒就足够了,这就大大地节省了工作量
