期刊名稱：Journal of Analytical Atomic Spectrometry

DOI號(hào)：doi.org/10.1039/D2JA00407K

原文網(wǎng)址鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ja/d2ja00407k

同位素地質(zhì)年代學(xué)是厘定深時(shí)地質(zhì)過程發(fā)生時(shí)間和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)Z直接的定量手段。Lu-Hf定年技術(shù)基于176Lu-176Hf的β衰變體系，其半衰期（37.13Ga）相較于87Rb-87Sr, 147Sm-143Nd和 187Re-187Os體系更短，在對(duì)年輕樣品進(jìn)行定年時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)母體Lu和子體Hf的地球化學(xué)性質(zhì)比Sm和Nd的差異大，在地質(zhì)過程中可以產(chǎn)生更顯著的母子體分餾，有利于構(gòu)筑高精度等時(shí)線。常見的用于Lu-Hf等時(shí)線定年的礦物主要有磷釔礦、磷灰石和石榴石。磷釔礦是確定沉積巖和高分異花崗巖和偉晶巖形成時(shí)代的優(yōu)選對(duì)象，磷灰石是極為常見的副礦物，可以貫通于巖漿演化的各個(gè)主要階段，是揭示巖漿分異過程的絕 佳礦物，而石榴石可以敏感地記錄變質(zhì)作用溫壓條件的變化，是研究變質(zhì)P-T-t軌跡的Z理想礦物，并因此發(fā)展出著名的石榴石Lu-Hf地質(zhì)年代學(xué)（Lu-Hf garnet geochronology）。

傳統(tǒng)的Lu-Hf定年技術(shù)主要基于全礦物整體溶解，同位素稀釋（ID），離子交換樹脂分離提純以及多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜（MC-ICP-MS）測(cè)定的技術(shù)路徑。這種分析方法耗時(shí)長(zhǎng)，流程復(fù)雜，成功率低。更為重要的是在對(duì)上述礦物進(jìn)行分析時(shí)無法有效區(qū)分不同時(shí)代的礦物生長(zhǎng)環(huán)帶。盡管部分學(xué)者嘗試采用微鉆或激光切割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了毫米尺度的空間分辨率，但依然不能有效規(guī)避鋯石等富Hf礦物包裹體的影響，往往獲得不具實(shí)際地質(zhì)意義的混合等時(shí)線年齡。與ID-MC-ICP-MS相比，LA-ICP-MS具有空間分辨率高（微米級(jí)）、分析速度快、實(shí)時(shí)在線直觀、能有效篩選出高Lu/Hf區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)，但176Yb、176Lu和176Hf由于具有相同的質(zhì)量數(shù)，因此無法在常規(guī)的LA-ICP-MS分析中實(shí)現(xiàn)精 準(zhǔn)區(qū)分。

圖1 同質(zhì)異位素（176Lu, 176Yb, 176Hf）干擾分離原理

針對(duì)這一問題，我所MC-ICP-MS實(shí)驗(yàn)室吳石頭高級(jí)工程師、王浩副研究員和楊岳衡正高級(jí)工程師及其合作者，利用賽默飛世爾公司的iCAP? TQ三重四極桿其原理如圖1所示，通過活化氣體碰撞反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了同質(zhì)量數(shù)的母子體在線分離（圖1）。氨氣與目標(biāo)元素往往具有非常復(fù)雜的反應(yīng)產(chǎn)物，我們系統(tǒng)標(biāo)定了Hf, Yb 和Lu與氨氣的反應(yīng)產(chǎn)物（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)通過測(cè)定(176+82)Hf (表達(dá)為：176Hf(14N1H)(14N1H2) (14N1H3)3, 質(zhì)量偏移+82)，可有效規(guī)避176Lu和176Yb對(duì)176Hf/177Hf測(cè)定的同質(zhì)異位素干擾。

圖2 Hf, Yb 和Lu與氨氣的反應(yīng)產(chǎn)物標(biāo)定

在質(zhì)量數(shù)+82下，176Hf的反應(yīng)產(chǎn)率為~50%，而 176Lu和176Yb的反應(yīng)產(chǎn)率僅為~0.0034%和~0.00036%。通過理論模擬發(fā)現(xiàn)，在這樣的反應(yīng)產(chǎn)率下，僅具有極高Lu/Hf比值的磷釔礦需要進(jìn)行同質(zhì)異位素干擾校正（如圖3所示）。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)純氨氣與Hf的離子反應(yīng)效果明顯優(yōu)于前人報(bào)道的氨氣（10%）與氦氣（90%）的混合氣體，這主要是因?yàn)榧儼睔饽苊黠@減少碰撞導(dǎo)致的靈敏度衰減。

圖3 Hf, Yb 和Lu與氨氣的反應(yīng)效率對(duì)Lu-Hf年齡的影響

基于此，我們通過采用G2激光系統(tǒng)和iCap TQ 三重四極桿儀器，利用純氨氣作為反應(yīng)氣體，在國(guó)內(nèi)率先建立了LA-ICP-MS/MS磷釔礦、磷灰石、石榴石Lu-Hf定年技術(shù)。

采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（或已知年齡的樣品）對(duì)該分析技術(shù)的分析不確定度進(jìn)行了驗(yàn)證（如圖4所示）。其中磷釔礦的定年不確定度達(dá)到了<1.5%，磷灰石達(dá)到了<3.0%，而石榴石由于Lu含量低，普通Hf含量較高，目前分析不確定度為~10%，未來通過對(duì)儀器靈敏度進(jìn)一步優(yōu)化和增大激光剝蝕采樣量，可改善分析精度和準(zhǔn)確度。該技術(shù)極大地拓寬了微區(qū)可定年礦物的范圍，為揭示變質(zhì)作用過程以及成巖成礦時(shí)限提供了全新的技術(shù)手段。

圖4 磷釔礦XN02,MG-1, 磷灰石Otter Lake, NW-1, 石榴石14SA36, 12QL59的Lu-Hf定年結(jié)果

研究成果

研究成果發(fā)表在國(guó)際質(zhì)譜學(xué)權(quán)威期刊Journal of Analytical Atomic Spectrometry上。研究受國(guó)家自然科學(xué)基金（42273034, 41903024和41973035）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2022066）、國(guó)家重 點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2018YFA0702602）、中國(guó)科學(xué)院重 點(diǎn)研究項(xiàng)目（ZDBS-SSW-JSC007-15）、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重 點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-202204）項(xiàng)目共同資助。

第 一作者簡(jiǎn)介：

吳石頭，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，1987年出生于河北石家莊。長(zhǎng)期從事LA-(MC)-ICP-MS分析方法研發(fā)及其應(yīng)用研究。主要研究成果：系統(tǒng)優(yōu)化了LA-ICP-MS分析花崗巖微量元素的前處理方法(無助熔劑熔融法和納米粉末壓片)；研發(fā)了一套(3個(gè))安山巖微區(qū)元素/同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(ARM-1，ARM-2，ARM-3)；一套（3個(gè)）天然玻璃元素/Pb同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（OJY-1, OH-1, OA-1）；開發(fā)了小束斑(5-16微米)鋯石U-Pb定年技術(shù)和方解石U-Pb定年技術(shù)；目前以第 一/通訊作者發(fā)表論文18篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專 利2項(xiàng)，國(guó)際（美國(guó)）發(fā)明專 利1項(xiàng)；主持翻譯英文著作1部。曾獲國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目(201306410007)。目前擔(dān)任《地球化學(xué)》青年編委（2022-2025）。

研究方向：

元素/同位素微區(qū)分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研發(fā)；

副礦物U-Th-Pb年代學(xué)實(shí)驗(yàn)方法開發(fā)；

原位微區(qū)Lu-Hf定年分析技術(shù)及地質(zhì)應(yīng)用