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一种LA-ICP-MS的锆石U-Pb快速定年方法

摘要

本发明属于分析检测领域,具体涉及于LA‑ICP‑MS的锆石U‑Pb快速定年方法,本发明的方法将传统的LA‑ICP‑MS锆石U‑Pb定年测试效率由20点/每小时提升至240点/每小时,分析时间由60‑80秒降低至5‑9秒,分析效率提升一个数量级。单位时间内剥蚀物质量提升,导致待测元素Pb和U的信号提升,高频率剥蚀使LA‑ICP‑MS分析低含量物质的能力得到提升;激光脉冲数仅为100‑180次,显著降低了锆石的消耗量和剥蚀坑的深度。极大地节约了地质行业相关基础地球科学研究、区域地质调查、区域矿产资源勘查的测试费用。

著录项

  • 公开/公告号CN112649492A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2021-04-13

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 中国地质大学(武汉);

    申请/专利号CN202110013402.5

  • 发明设计人 张文;胡兆初;罗涛;冯彦同;刘宏;

    申请日2021-01-06

  • 分类号G01N27/62(20210101);G01N1/44(20060101);

  • 代理机构37304 淄博慧乾专利代理事务所(普通合伙);

  • 代理人任祥生

  • 地址 430074 湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号

  • 入库时间 2023-06-19 10:35:20

说明书

技术领域

本发明属于化学分析技术领域,具体涉及一种LA-ICP-MS的锆石U-Pb快速定年方法。

背景技术

同位素地质年代学已经成为探索地质体时、空演化及大陆动力学等问题的基础工具。同位素测年方法最常用的是副矿物U-Pb定年方法。锆石是自然界中广泛存在的一种副矿物,普遍存在于各种岩石中,包括沉积岩、岩浆岩和各种变质岩。锆石U-Pb 年龄与其形成温度、微量元素和Hf-O 同位素等结合,为确定地质作用的时空演化提供了重要的地化参数。据统计,利用锆石U-Pb年龄数据发表的学术论文已经超过1万余篇。目前我国地球科学领域对于锆石U-Pb定年的数量要求较大,通常对于一个简单的岩体中形成的岩浆锆石,需要分析测试10-20个数据点。但是对于利用碎屑锆石进行物源示踪研究时,需要更多的数据点提供更为有价值的信息,业内专家要求开展一份样品的碎屑锆石研究,至少提供100-300个数据点。巨大的数据量需求对分析测试技术的效率提出了严峻的挑战。

开展锆石微区原位U-Pb定年的测试技术主要有两种,一种是二次离子探针技术(SIMS),另一种是激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术(LA-ICP-MS)。目前的SIMS技术可以在直径5~20微米和1~2 微米深度的三维取样空间尺度测定锆石U-Pb年龄。SIMS锆石U-Pb定年分析的外部精度可以达到1%, 分析速度较慢(一个点分析约10~15分钟),多数情况下只有进行较为重要的科学研究时考虑采用SIMS分析方法。而LA-ICP-MS在直径30~40微米、深度20~30微米的三维取样空间尺度测定锆石U-Pb年龄。该技术的特点是成本低、分析速度快(一个点分析约2 分钟)、U-Pb定年的外部精度可以达到2-3%。因此LA-ICP-MS成为一种广大基础地质工作者更多选择的分析测试技术。

目前全国各高校、科研单位或者市场第三方检测机构开展LA-ICP-MS锆石U-Pb定年时,常规的分析测试方案是激光束斑20-40微米,单点分析时间2分钟左右,价格为70-100元。再加上对标准样品分析的时间(每小时大约分析8-10个标样),通常每小时的实际样品测试效率是20-22点/每小时,价格为1400-2200元/每小时。一件需要开展碎屑锆石研究的岩石,平均需要分析200个锆石点,那么需要花费约10个小时和约14000-22000元。因此,如果能进一步提升锆石U-Pb定年的分析测试效率,无疑对于地球科学领域的相关研究具有巨大的促进作用,并起到节约研究经费的效果。

快速锆石定年技术在国际上已经有一定的研究,并且有相关论文的报道。目前论文中报道的最高分析效率是1200点/每小时。该成果来自于美国亚利桑那课题组2020年研究成果(Sundell et al. 2020, Rapid U-Pb Geochronology by Laser Ablation Multi-Collector ICP-MS),他们利用激光剥蚀结合大型多接收等离子体磁质谱(LA-MC-ICP-MS),将每点分析时间控制在30秒、12秒、6秒和3秒,并对比了分析测试结果。结果表明分析时间3秒(~1.8秒的信号采集,~1.2秒的气体背景)得到的碎屑锆石数据谱图和常规U-Pb定年的谱图基本是一致的。但是该论文问题在于1. 1200点/每小时是一个理论上的工作效率,完全没有考虑在分析过程中标准物质分析时间,以及激光移动到下一个样品点所需要的时间;2. 1200点/每小时的数据质量是极差的,通过论文中数据可知,1200点/小时方法获得的

参见图1,数据质量较差的原因是因为几乎全部的快速锆石定年技术,只是单纯的将分析测试时间由传统的60-80秒取样时间,缩短到数秒。但是其数据处理方案依然采用传统的point by point的数据处理方法。在point by point的数据处理方法中,Pb/U比值的平均值和不确定度通过算术平均值和标准偏差来分别计算。当缩短分析测试时间时,质谱仪采集到的数据量降低,自然影响了算术平均值和标准偏差的数据。因此很难得到好的数据结果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种新的快速U-Pb定年方法,包括样品分析过程中激光参数的调整和数据处理模式改进。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一种基于LA-ICP-MS的锆石U-Pb快速定年方法,具体包括:步骤(1):制作靶样品,包括被测样品和标准样品;(2):在激光软件处对待测锆石进行选点、标记、调整激光剥蚀参数;(3)采集数据:根据需求设置每个样品的采样个数为N,设置激光为自动顺序剥蚀第1个点至第N个点,其中单次采样分析时间分解为激光剥蚀时间和激光移动到下一分析点的时间,总时间小于15秒;(4)数据处理:采集单个样品信号,对单点样品信号进行分割和背景干扰校正后利用线性回归处理方法计算出

进一步,所述线性回归处理方法具体包括利用线性回归技术以及计算出

进一步,激光剥蚀参数为,每个分析点激光剥蚀5-9秒,优选为7秒;束斑20-40微米;频率5-50Hz;优选为20HZ。

取得的有益效果包括:(1)本发明的方法将传统的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试效率由20点/每小时提升至240点/每小时,分析时间由60-80秒降低至5-9秒,分析效率提升一个数量级。单位时间内剥蚀物质量提升,导致待测元素Pb和U的信号提升,高频率剥蚀使LA-ICP-MS分析低含量物质的能力得到提升;(2)激光脉冲数仅为100-180次,显著降低了锆石的消耗量和剥蚀坑的深度。

附图说明

图1. 传统的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年中Pb和U信号的原始数据(a)和207Pb/238U的信号比值(b)

图2为利用LA-ICP-MS分析锆石标准物质91500时获得的信号轮廓(a)和利用线性回归校正方案获得的206Pb/238U的比值(b)。

图3为通过实施例1方案获得锆石标准物质91500(左图)和Rak-17(右图)的U-Pb协和年龄。

具体实施方式

下面结合附图实施例,对本发明做进一步描述:

本发明的具体测试步骤为:(1)开启LA-ICP-MS设备,通过参考物质将仪器调整到最佳状态;(2)在激光软件处对待测锆石进行选点、标记、调整激光剥蚀参数,每个分析点激光剥蚀7秒,束斑20-40微米,频率20Hz;(3)激光选点完毕后,根据激光确定好的分析点个数,确定完成所有激光分析点所需要的时间,然后在质谱仪中建立一个对应的分析方法,要求该分析方法获取数据的时长可以完全囊括激光分析所需要的时间;(4)首先开始质谱仪采集数据,然后操作激光剥蚀系统开始自动顺序剥蚀;(5)单次激光分析需要15秒,其中7秒激光剥蚀,8秒时间可供激光移动到下一分析点,完全可以实现每小时240点的分析效率;(6)完成以上分析之后,将原始数据进行分析,首先需要将一整个文件中的数据分割成为单个样品信号,可以通过计算机算法或者利用激光剥蚀log文件实现该功能;(7)分割完的数据,首先进行背景干扰校正,然后利用线性回归技术(图2(b))计算出

传统的锆石U-Pb分析中,分析时间要求60-80秒,再考虑到其剥蚀坑不能太深,避免严重的down-hole分馏效应,因此激光剥蚀的频率在5-10Hz区间,因此激光剥蚀脉冲数控制在400-600次之间。以上高频率激光剥蚀模式必然得到了峰形的信号,本研究提出针对这种峰形信号,不再采用point by point的数据处理方式,而是采用线性回归校正技术来确定Pb/U比值。

如图2所示,图2(a)中

实施例1

本实施例中采用上述LA-ICP-MS分析方法,对2个锆石国际标准物质进行快速分析。

将锆石标准物质GJ-1,91500和Rak-17放置到激光样品剥蚀池中,其中GJ-1作为外部标准物质校正同位素质量分馏,91500和Rak-17作为被测样品验证数据质量;(2)开启LA-ICP-MS设备,通过参考物质将仪器调整到最佳状态;(3)在激光软件处对待测锆石进行选点、标记、调整激光剥蚀参数,每个分析点激光剥蚀7秒,束斑32微米,频率20Hz,每分析被测样品20个点(5分钟),分析两次GJ-1,本次分析共20个91500和40个Rak-1;(4) 本次分析共20个91500,40个Rak-1和8个GJ-1,共68个样品,耗时约17分钟,因此在质谱仪中建立一个数据采集时间17-18分钟的分析方法,确定获取数据的时长可以完全囊括激光分析所需要的时间;(5)首先开始质谱仪采集数据,然后操作激光剥蚀系统开始自动顺序剥蚀;(6)17分钟完成以上分析之后,将原始数据进行分析,首先利用专业软件将一整个文件中的数据分割成为单个样品信号;(7)分割完的数据,进行背景干扰校正,然后利用线性回归技术计算出

另外所有分析测试点的分析测试精度小于3%,实现了快速(240点/每小时)且高质量的U-Pb定年分析策略。本方案将传统的LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试效率由20点/每小时提升至240点/每小时,测试效率提升8倍。

综上,本发明的方法大大提高了LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试效率,如果LA-ICP-MS锆石定年测试费用以小时计费,每小时平均约1800元,我们的新方案将降低测试费用87.5%,极大地节约了地质行业相关基础地球科学研究、区域地质调查、区域矿产资源勘查的测试费用。新的分析测试方案效率高,数据质量未受到影响,可以在各大地质高校、科研院所和第三方地质分析测试平台快速推广。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

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