原创 电子探针化学测年技术及应用

电子探针化学测年技术及应用
摘要：介绍电子探针化学测年原理和计算方法，并运用-a．例证明它是一项简便的地质定年方法，用此方法测定的 年龄数据与传统方法测定的年龄数据具有可比性．另外简要的对这种方法进行了评价，并指出这项技术 在地质问题研究和环境治理方面的应用前蒂．

I 探针rl l9¨t纪30年代发叫以米，埘物质的微 分析J ：，卜r 大影响。其用途也f{益广泛．剑r 60 年代，地质 家就已绛』IJJ 分析矿物ffI的主元素，偶尔也从寓U币¨ Fh的矿物 II拨得“化学年龄”，f【f从实川 意义 }』}：，~IIl UJ 的力 法都／f 孵．A4t：．束，『f1 f引‘算机技术、门动化技术、光电技术的迅猛发展，}U 探针分 析技术 l‘r质的提高． I J 抓针化学测 _支术il-址 这些技术进步过程lII成长起求的．此项妓术 I_1．1. {夺 、 ： Suzuki等 人 f¨ ，之 法 、德. 、 火 一 学 也埘此作r ·lit．探索 Pt-：fig#)t： J1；~Ill 21．『q内 ft科院的 川剑雄等人也儿 川【I、』进行类似的研究， 取得一些成 ．小义以独』一 为例， ‘允刈 电子探针化一、~-N’F 技术进行闸述，|温度数据记录器 |土壤湿度传感器 |气象站专用记录器 |温湿度数据记录仪 |温度/光度数据记录器 |环境记录仪 |外部传感器 |状态记录仪 |HOBO应用软件 |雨量计/雨量记录器 |深度数据记录器 |温度/带警报(防水)记录器 然 说fIJJ这个研究成 地质领域的 用Ij{’『 j}． 1 基本原理和年龄计算 下I(if~2电子探针刈‘独 i。 -ft的放射性元索Th、U、Pb的 化物测定为例，说叫fU子探针化 测41-技术 的 小原 141-：龄汁钎：． I’h、 U、 U 利 人然放乌lf I’I-：M{~t索 过一系列的a、 衰变最终肜成lJb的稳定川化索．这3个衰 变系列川‘以I『J F 个式子 爪： 32 I’h— 6a +4 + (’8i,b 35U 一7a +4／?+2o7I％ 0 U_’8a+6／3+2o6I}b {j 述衰变 漫KV,J地质历史f}lI建 平衡1t寸，就 以把Th不11 U的衰变 接转化为相应的I】I】同位素， 据此建 3个独 力 程J1j来计算 [t~lh】内累积起来的放射性成 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埘眦兀素仍然存 的原子数， 表示各 他素衰变常数： 232=4，9475× 10 ¨“ 、 235二9．8485× 10 .“ 、 238二1． 55215× 10 0“ ． Ih于多数 川t的独』 峙 『1形成后一lJI=处于=封闭系统，并fJ+ q’-tl 放射性成『人1的Pb呵以忽略 计，并 考虑现在’If：常臼n的比值N(238U)／N( u)=l 37，88[ ．则独居 PI)的总禽 为： (Pb)= ( Pb)+ ( (’7pb)+ ( ‘’6pb) (Pb)= ( I、h)×{exp(2232t) 1 + (U)×{[exp(,~235t) 1]+137．88×[exp(2238 z) 1]} 电子探针测定的是氧化物的含量，因此将Th、U、Pb的原子数换算成其对应的氧化物Tho2、uoa、PbO 的质量分数，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 表示每种氧化物的分子量，取M(PbO)=223．20、M(Th()2)=264．04、M(U02)=270．03，将一单点 电子探针分析所得的一组氧化物含量数据代入(2)式，就得到了一个化学视年龄(t)．再由于独居石中 Th—Pb系统占支配地位，所以将u衰变效果按照成Pb量相等折算成Th衰变效果，构建虚拟的钍含量W (Tho2 )，通过对同成因矿物微区的多点分析，利用等时线法获取其微区的等时年龄(T)： w(ThO2 )=w(ThO2)+ } ×[ 蛰 - ÷ } 一 ](3) 这样就可在以W(PbO)一W(ThO2 )为坐标的坐标系巾构造一条斜率为S，截距为b的等时线： (PbO)=S×W(ThO2 )+b，其中b是非放射性成因Pb的含量

热电阻传感器 热电偶传感器 红外测温仪 温湿度计 温度显示仪 其它类温度计 温控器 热电阻/偶温度计 温度探测器 温度传感器 温度变送器 温湿度变送器 温度计 ，s是等时年龄T的函数： T = ×In 1+ S × DU ^， ’ 』ⅥI ，]J (4) 再通过(4)、(3)式对T进行迭代多次即叮达到年龄的精度要求．当然，在i贝0试中还须对独居石的测试 条件、系统误差等影响测年精度的因素进行一些校正，使其能够反映出独居石形成的实际年龄．目前使用 MATLAB能成功的实现上述计算．

2 电子探针化学测年技术的应用
2．1 对多阶段地质构造成因的分析 电子探针[大j为具有高卒问分辨率(约为1 m)，比离子探针的分辨率(约为20 m)要高一个数量级，所 以能够对矿物颗粒做精细的化学成分扫描，提供 小微区的年龄，并且所作的电子图像使得成分数据点与年 龄数据严格对应，而传统的测年方法只能提供整个矿物的混合年龄，或者因为分辨率太低而无法提供更加详 细的地质事件信息．所以用电子探针测得的数据来确定地质年龄能够很好的解释多阶段的地质演化． Michael L．W．等人对取自Saska—tchewan北部Nell海湾的古老岩石样品中的独居石进行了研究．结果 示独J一石j={．有叫显的Th、U、Pb环带．计算的年龄显示独居行有两个年龄 域，其核部年龄是2．05 Ga，边 部年龄是1．88 Ga[2 ．两种年龄区域的存 ，说明独居石在这地质历史时期经历丁不同的地质历史事件，同 时也为多阶段岩 以及构造运动的叠加研究捉供_r可靠的汪据．周剑雄等人对新疆土屋一延东铜矿矿区外 围南部的一个深成侵入体一黑云母二长花岗岩的独居行进行6个颗粒、20个点的{=914试得到单点年龄的算术 平均值为325 Ma，等时年龄为286．8±36．8 Ma，得出该 母二长花岗岩是形成于晚石炭世的深成侵入 体 ． 更为霭要的足，电子探针的原位分析和高 问分辨率特点，为区域大地构造和 微构造的形成提供了一 种令新的地质年代数据，从而为变质、变形作用过程巾P(压力)一T(温度)一t(时间)一D(变形)之间的关 系提供了绝对时问的制约，为解决 微构造和结构分析中长期存在的三个问题：
(1)变质组合年代的制约；
(2)变质组构时问的制约；
(3)复杂地质年代数据解释，提供1r新的解决 法_4j．Williams M L等人利用电子 探针测年法把绝对时问成功的引入 微构造分析，实现_r真正意义 卜的显微构造原位定年_5 J． 同样，电子探针化学测年技术应用于岩 、矿物和矿床学中，可对矿石的来源、 问矿物的不同环带、不 同世代的成分演化 j至时问演化进行分析，据此n 以得到许多岩石结构、矿床成因、变质作用及地质找矿等 方 的信息．
2．2 探寻碎屑岩、水系沉积物的源岩 Suzuki K等人利用电子探针对碎屑独肼石【f|Th—U—Pb的含量测定，再利用W(PbO)／w( rhO2 )的 比值"z并参考等时线W(Pb0)=S×W(ThO2 )+b对比证实，日本东部Mino岩层的侏罗系砂岩中的碎屑 独居 源于巾前寒武系的片麻岩和花岗岩l6 J．张照志等人测定取自中国辽河砂样中的独居石年龄，其中19 颗独居石的 龄集中在2500 Ma范围内，认为这IIj辽河穿切东北古克拉通地区有关，而这部分独居石和可 能来源于辽河群地层(年龄为2500 Ma一1800 Ma)E ．碎屑岩、水系沉积物源岩的成功探寻，为古构造、古地 理的恢复和造山带岩层的分析提供了一个重要的方法．就目前来说，可用来确定我国沙尘暴中尘沙的来源， 同样可以确定河流淤积物的来源，为环境治理提供帮助．

3 电子探针化学测年方法的评述 电子探针化学测年方法在地质构造[ ，。’ j和环境治理[ ， ]的成功应用表明它比传统的测年方法有明显 的优势，作为一种新的测年技术，同样具有很好的可靠性和发展前景．Michael L W，Mnot J，周剑雄等人的 研究结果证明，电子探针测定的化学年龄均在传统的同位素法测定的年龄范围之内[ ，引． 此项技术的优点主要是：(1)分析快速，测试容易，所需样品量少且不损坏样品．一个完整的测年过程一 般在几十分钟内完成，提高了工作实效；(2)电子探针可对独居石的核部和边缘分别进行测定，并使其晶体的 岩相位置与计算的年龄相对应，实现真正的微区原位测年；(3)电子探针的全岩分析还可以获取独居石中主 元素和稀土元素的成分特征，可以指示独居石的地质年代学研究，而各种电子图像或x射线元素分布图像 对解释矿物及其所在岩石、地质体的地球化学的演变具有重要意义． 缺点主要是：(1)电子探针测年精度和灵敏度要比离子探针或质谱仪测年法低一个数量级，且不确定性 在50 Ma之内．所以一般只用于测定年龄大于100 Ma的矿物[3 J；(2)本方法测试计算过程中忽略的条件，可 能影响测试精度．

4 结束语 总之，用电子探针测年方法能够得到海量年龄数据，可利用统计学的方法对其进行适当分析．数据越 多，其值越真．现有的研究表明电于探针化学测年技术无论是在地质问题研究中，还是在环境治理等领域都 将有所贡献．