利用激光拉曼测试锆石年龄的方法

1.本发明涉及矿物年龄测试领域，尤其涉及一种利用激光拉曼测试锆石年龄的方法。


背景技术：

2.锆石物理、化学性质稳定，富含铀、钍放射性元素，是开展测年技术的理想矿物。锆石主要形成于岩浆岩和变质岩中，也可以通过风化剥蚀作用，赋存于沉积岩中。地质学家通常利用锆石开展测年分析用来解决一些地质科学问题。目前针对锆石开展年代学测试的方法技术主要有利用锆石u-th-pb同位素体系获得锆石u-pb年龄，利用u、th放射性形成的线性物理损伤获得的裂变径迹年龄，以及利用u、th同位素α衰变积累的he元素获得u/th-he年龄等。如现有技术中获得火山喷发年龄的方法主要是依靠锆石u-pb同为素体系，利用激光剥蚀技术计算锆石的年龄。但是该方法测试时间长、费用昂贵。
3.随着科学技术的发展，研究者发现这些测年方法体系都是从不同的温度区间范围内界定锆石年龄，已有的方法技术只能揭露某种特定的地质过程，相比于复杂的地质历史而言，现有的测年方法技术能够揭示的信息单一而有限。因此，需要研发更多的测试方法，特别是根据不同的原理，研发锆石测年方法。


技术实现要素：

4.本发明主要目的在于提供一种精度较高，且操作经济简单的利用激光拉曼测试锆石年龄的方法。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.提供一种利用激光拉曼测试锆石年龄的方法，包括以下步骤：
7.s1、固定待测锆石颗粒；
8.s2、利用激光拉曼仪测定锆石原位的拉曼谱峰，获取锆石拉曼振动峰[v2sio4]、[v3sio4]、[v
er
sio4]的半高宽和波峰位置；
[0009]
s3、对锆石拉曼振动峰的半高宽和波峰位置进行解析，判断是否发生退火或复合叠加信号，若否，则保留该锆石颗粒，继续测量；
[0010]
s4、测定锆石中原位素u和th的含量；
[0011]
s5、根据拉曼谱峰与d
α
衰变量之间的关系γ
x
＝a-(a-c)
×
exp(-b
×dα
)计算d
α
衰变量，其中γx表示[v
er
sio4]、[v2sio4]、[v3sio4]对应的谱峰半高宽，a代表在辐射剂量无限大情况下谱峰半高宽的最大值，c为没有辐射剂量情况下谱峰半高宽的初始值；a-c表示拉曼谱峰的变化范围；b代表拉曼谱峰半高宽与锆石辐射剂量的关系曲线的弧度；
[0012]
s6、根据计算出的三个d
α
衰变量及锆石中u、th元素与d
α
衰变量的时间函数计算锆石年龄t，该时间函数为：
[0013]dα
＝8
×u238
×
na/m
238
×
(e
λ238
×
t-1) 7
×u235
×
na/m
235
×
(e
λ235
×
t-1) 6
×
th
232
×
na/m
232
×
(e
λ232
×
t-1)
[0014]
其中，na为阿伏伽德罗常数，m
238
、m
235
、m
232
分别为u
238
、u
235
和th
232
的原子量；λ
238
、λ
235
、λ
232
分别代表u
238
、u
235
和th
232
的衰变常数；u
238
、u
235
为根据测定的原位素u含量计算的u
238
、u
235
同位素的含量，th
232
为测定的th的含量。
[0015]
接上述技术方案，步骤s1中通过双面胶带或环氧树脂等物质将待测锆石镶嵌固定。
[0016]
接上述技术方案，利用基于电子探针的微量元素分析技术测定锆石中原位u和th含量。
[0017]
接上述技术方案，选择待测锆石的方法为：将火山岩岩石粉碎至200目左右，通过在双目镜下和偏光显微径下，挑选表面洁净的锆石，再通过透射光、反射光以及正交偏光镜下，挑选结晶条件良好，无包裹体且干涉色和干涉条带均匀的锆石颗粒。
[0018]
接上述技术方案，步骤s2具体为：将锆石靶放在测试台上，将拉曼测试仪的激光聚焦于锆石待测区域，设置参数为波长512nm，
×
1800光栅进行测试。
[0019]
接上述技术方案，步骤s3具体为：
[0020]
s31、利用洛伦兹或高斯算法拟合[v2sio4]、[v3sio4]、[v
er
sio4]谱峰的半高宽和峰中心的位置参数；
[0021]
s32、观察拟合的谱峰，剔除谱峰不对称锆石颗粒；将解析出的[v2sio4]、[v3sio4]、[v
er
sio4]谱峰的半高宽和峰中心参数进行图版检验，剔除落于退火过程曲线的锆石颗粒。
[0022]
本发明产生的有益效果是：本发明通过激光拉曼测试技术测试获得锆石的特征谱峰，并对锆石拉曼振动峰的半高宽和波峰位置进行解析，利用特征谱峰半宽高定量表征锆石晶格损伤程度，即根据拉曼谱峰与d
α
衰变量之间的关系计算d
α
衰变量，再根据d
α
衰变量及锆石中u、th元素与d
α
衰变量质检的时间函数计算锆石年龄。可见本发明采用了不同的测年原理，从u和th同位素衰变对锆石晶格产生物理损伤的原理出发，计算获取锆石的年龄。本发明的方法具有原位分析、高分辨率特点，光束分辨率可达到1微米。本发明根据[v2sio4]、[v3sio4]、[v
er
sio4]谱峰的半高宽可以同时计算产生3组锆石年龄。这3组年龄相互验证从而有较高的准确度。
[0023]
进一步地，本发明具有操作简便、经济且效率高等特点，利用激光拉曼和电子探针可以在几分钟内获取相关数值，完成锆石年龄计算。相关测试费用低于目前传统的激光剥蚀测年技术。锆石激光拉曼测年技术对解决低温快速冷却地质体年龄问题有独特优势和应用价值。
附图说明
[0024]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0025]
图1是本发明实施例利用激光拉曼测试锆石年龄的方法流程图；
[0026]
图2是本发明实施例锆石拉曼测试具体峰值范围示意图；
[0027]
图3a、图3b、图3c分别是本发明实施例锆石拉曼信号谱峰[v
er
sio4]、[v2sio4]、[v3sio4]的半高宽和相应的峰中心判断图版；
[0028]
图4a、图4b分别是本发明实施例锆石拉曼信号不同谱峰中心位置[v
er
sio4]与[v2sio4]、[v3sio4]与[v2sio4]的对比判断图版；
[0029]
图5是本发明实施例拉曼谱峰半高宽与锆石辐射剂量的关系曲线图；
[0030]
图6a、图6b、图6c分别是本发明实施例锆石拉曼[v3sio4]、[v2sio4]、[v
er
sio4]谱峰年龄与u-pb年龄对比图。
具体实施方式
[0031]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032]
锆石中的铀u、钍元素th会持续产生α衰变，产生的子核和α粒子会破坏锆石的晶质结构从而产生晶格损伤。这些晶格损伤会在锆石晶体中逐渐积累，直到引起锆石完全蜕变晶。锆石晶格损伤总量是时间的函数，锆石晶格损伤总量可以通过激光拉曼仪器获取。本发明利用测得的锆石晶格损伤总量、铀、钍元素含量等信息计算锆石年龄，形成了一套锆石年龄方法体系。
[0033]
本发明实施例利用激光拉曼测试锆石年龄的方法主要包括以下步骤：
[0034]
s1、采集火山岩，挑选锆石颗粒，可通过双面胶带或环氧树脂等物质将锆石镶嵌固定；
[0035]
s2、利用激光拉曼仪测定锆石原位的拉曼谱峰，获取锆石拉曼振动峰的[v2sio4]、[v3sio4]、[v
er
sio4]半高宽和波峰位置；
[0036]
s3、对锆石拉曼信号进行解析检验，是否发生退火或复合叠加信号；
[0037]
s4、利用微量元素分析技术(如电子探针等)，测定锆石中原位u和th含量；
[0038]
s5、根据拉曼谱峰与d
α
衰变量之间的关系计算d
α
衰变量；
[0039]
s6、根据计算出的三个d
α
衰变量及锆石中u、th元素与d
α
衰变量的时间函数计算相应的锆石年龄t。
[0040]
其中，步骤s1具体为：将火山岩岩石粉碎至200目左右，通过在双目镜下和偏光显微径下，挑选锆石表面洁净，再通过透射光、反射光以及正交偏光镜下，挑选结晶条件良好，无包裹体且干涉色和干涉条带均匀的颗粒开展锆石年龄测试。
[0041]
步骤s2具体为：将锆石靶放在测试台上，将拉曼测试仪的激光聚焦于锆石待测区域，参数通常为波长512nm，
×
1800光栅进行测试。锆石光谱信号，一般显示有4个特征谱峰，分别在357cm-1
([v
er
sio4])、～439cm-1
([v2sio4])、～974cm-1
、～1008cm-1
([v3sio4])附近，如图2所示。
[0042]
步骤s3具体为：
[0043]
s31、利用洛伦兹或高斯算法拟合[v2sio4]、[v3sio4]、[v
er
sio4]谱峰的半高宽和峰中心的位置参数。
[0044]
s32、观察拟合的谱峰，剔除谱峰不对称锆石颗粒；将解析出的[v2sio4]、[v3sio4]、[v
er
sio4]谱峰的半高宽和峰中心参数进行图版检验，剔除落于退火过程曲线的锆石颗粒。
[0045]
经过大量统计发生明显退火现象和未发生退火现象的锆石颗粒，我们发现这两类锆石的谱峰参数存在截然不同的趋势线，具体检验图版如图3a、图3b、图3c以及图4a、图4b所示。以此为依据，可以筛选出没有发生退火的锆石开展年代学测试。图3和图4检验图版的检验过程为并行检验，只要存在任何单项未落在“未发生退火”锆石的趋势线上，即排除该锆石。
[0046]
具体的，[v
er
sio4]、[v2sio4]、[v3sio4]谱峰半高宽γ
er
、γ2、γ3与锆石中u、th元素的d
α
衰变量可以根据以下公式计算：
[0047]
γ
x
＝a-(a-c)
×
exp(-b
×dα
)(1)
[0048]
γ代表谱峰半高宽，x表示[v
er
sio4]、[v2sio4]、[v3sio4]对应的谱峰。该公式对应的曲线如图5所示，c为曲线与纵坐标的交点，表示没有辐射剂量情况下谱峰半高宽的初始值；a代表在辐射剂量无限大情况下谱峰半高宽的最大值，a-c则表示拉曼谱峰的变化范围；b代表了曲线的弧度。
[0049]
经过统计未发生退火的火山岩锆石，[v
er
sio4]、[v2sio4]、[v3sio4]对应的谱峰的半高宽与d
α
衰变量存在如下经验公式：
[0050]
γ
er
＝49.98-46.468
×
exp(-0.473
×dα
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
γ2＝62.19-57.375
×
exp(-0.3041
×dα
)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0052]
γ3＝39.85-37.826
×
exp(-0.4345
×dα
)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0053]
锆石中u、th元素与d
α
衰变量是时间的函数，公式如下：
[0054]dα
＝8
×u238
×
na/m
238
×
(e
λ238
×
t-1) 7
×u235
×
na/m
235
×
(e
λ235
×
t-1) 6
×
th
232
×
na/m
232
×
(e
λ232
×
t-1)
[0055]
(5)
[0056]
式中，na为阿伏伽德罗常数6.02214179e 23，m
238
、m
235
、m
232
为u
238
、u
235
、和th
232
原子量，分别为238.0508e 6、235.0439e 6、232.038e 6；t的单位是年；λ
238
、λ
235
、λ
232
代表u
238
、u
235
、和th
232
的衰变常数，分别为1.55125e-10、9.85e-10、4.95e-11；由于自然界中u
238
同位素占所有u总量的0.9928，u
235
同位素占所有u总量的0.0072，因此也可以根据测试的u含量分别计算获得u238和u235同位素的含量，即：u
238
含量＝0.9928
×
u元素含量；u
235
含量＝0.0072
×
u元素含量。
[0057]
联合上述公式(2)—(5)，根据测试获得的u和th含量，可以计算获得锆石的拉曼谱峰年龄t。
[0058]
进一步地，本发明的其他实施例中选择了3组测试样品火山岩锆石进行测年分析，以展示测年效果。测试样品1锆石的u-pb加权年龄为27
±
1ma，测试样品2锆石的u-pb加权年龄为139
±
2ma，测试样品3锆石的u-pb加权年龄为306
±
5ma。测试样品的具体谱峰年龄见表1，对比图版见图6a、图6b、图6c。
[0059]
表1锆石谱峰年龄测试数据实际效果与u-pb年龄对比
[0060]
[0061][0062]
综上，激光拉曼技术和锆石微量元素(例如，u和th)分析技术应用较为广泛，但是尚未有研究将两者结合起来测试计算锆石冷却年龄。本发明主要利用了在未发生退火条件下，锆石晶格损伤程度是锆石晶体内放射性元素u、th含量和时间的函数。通过统计计算未发生退火火山岩锆石，获取激光拉曼谱峰与锆石辐射剂量的定量关系公式，进而与微量元素分析技术结合，达到测试锆石年龄的目的。即，激光拉曼测试技术测试获得锆石的特征谱峰，利用特征谱峰半宽高定量表征锆石晶格损伤程度，依靠衰变公式计算锆石的冷却年龄。
[0063]
本发明技术操作简单、费用低、测试周期短：锆石u、th元素测试和激光拉曼测试技术在国内高校科研院所和企业已有广泛应用，操作简单，易于学习和应用。目前广泛应用的icp-ms激光剥蚀技术测试锆石u-pb年龄，与此技术相比，本发明测试时间短，仅需数分钟即可获得测试参数，计算出锆石的冷却年龄，而所需测试费用更加低廉。
[0064]
本发明的方法可以在地质科学研究领域、石油勘探工业领域、珠宝加工和鉴定等广泛应用。特别是在地质科学研究领域，可以快速获得火山喷发的年龄，对恢复火山岩区地层层序和火山喷发序列等方面提供参考信息。
[0065]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。