同位素定年存在的 基体效应研究进展

种现象

２ 基体效应的类型
２．１ 元素基体效应
元素基体效应首先由 ＢＬＡＣＫ 等［２２］
发现，该研
究采用 ＬＡＩＣＰＭＳ对５种标准锆石（ＴＥＭＯＲＡ１、
ＱＧＮＧ、ＴＥＭＯＲＡ ２、Ｒ３３、ＡＳ３）进 行 定 年，其
２０６
Ｐｂ／２３８ Ｕ 表 面 年 龄 与 “真 实 年 龄 ”（ＩＤＴＩＭＳ
２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 表 面 年 龄）存 在 差 距 （以 下 统 称２０６
Ｐｂ／
２３８
Ｕ年龄差）。２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差可高达约±３．０％，
明显高于分析精度（约０．５％），见图１（矩形框的长
度反映２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差的２倍标准差，ＴＥＭＯＲＡ
１被用作外部校正标准，其２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差设定为
０，其不确定度 反 映 ＴＩＭＳ ２０６
Ｐｂ／２３８ Ｕ 表 面 年 龄 的
２倍标准差）。经其研究发现，２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差是
由一种与锆石中多种元素含量相关的基体效应所
致。这种基体效应是因锆石化学成分差异（ＲＥＥ＋
Ｙ，Ｐ）导致，本质上可能受控于“磷亿矿”元素取代机
制以及相 关 的 晶 格 畸 变，因 此 将 其 称 为 元 素 基 体
效应。ＢＬＡＣＫ［２２］
指出如果不对元素基体效应进行校
正，锆石 ＬＡＩＣＰＭＳ２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 定年结果的准确度
将不优于±３．０％。于是，该研究考察了多种元素
（Ｕ、Ｔｈ、Ｐ、Ｈｆ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｌｕ）与
２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差之间的相关性。结果显示：１０种
元素与年龄差之间的相关性差异很大（见表１），其中 Ｕ、Ｔｈ、Ｐ、Ｓｍ、Ｎｄ与年龄差的相关性良好。虽然
Ｕ、Ｔｈ与年龄差的相关系数较高，但二者测定误差
较大，不能构建有价值的校正方程。Ｐ、Ｓｍ、Ｎｄ与年
龄差之间具有强烈的线性正相关，见图２［注：误差
椭圆代表平均值的２倍标准误差（±２ＳＥ），年龄差
的不确定度由 ＬＡＩＣＰＭＳ２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄传递，忽
略ＩＤＴＩＭＳ年龄的不确定度，虚线表示最佳拟合曲
线］，Ｐ、Ｓｍ 与年龄差构建的回归方程的加权平均方
差（ＭＳＷＤ）过高，而 Ｎｄ与年龄差能够提供良好的
回归方程 Ｏｆｆｓｅｔ（％）＝（１．１７±０．５）
狑Ｎｄ（μｇ·ｇ－１）
＋（－３．８±１．８）（ＭＳＷＤ＝２．０）。利用该方程，可
以建立 ＬＡＩＣＰＭＳ 元 素 基 体 效 应 的 定 量 校 正 方
程：２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕｃｏｒｒｅｃｔｅｄａｇｅ＝（２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕｍｅａｓｕｒｅｄａｇｅ）×（１－
犮／１００），其中
犮＝ （－０．２７７±０．０９５）×
狑Ｎｄ （μｇ·
ｇ－１）＋（０．９０±０．３０）－Ｏｆｆｓｅｔ（％）。研究者可以在
ＬＡＩＣＰＭＳＵＰｂ分析时，检测 Ｎｄ＋ 信号强度，基
于这一方程对元素基体效应进行校正。

２．２
α 通量基体效应
ＡＬＬＥＮ 等［２３］ 的 研 究 表 明：标 准 锆 石 的
２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差高达 ３％；而对于年轻的锆石样
品，基体效应更严重，通常会导致 －５％ 的年龄差。
同时该研究发现２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差与放射成因 Ｐｂ
和
α通量呈很好的相关性。放射成因 Ｐｂ是锆石中
Ｕ、Ｔｈ衰变的产物，而
α 通量正是表征锆石遭受的
辐射损伤程度的参数。采用 ＬＡＩＣＰＭＳ对发生辐
射损伤的锆石进行剥蚀时，紧邻剥蚀坑的区域内的
Ｐｂ比 Ｕ 更容易逸出，从而导致２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 表面年龄
偏高。锆石的辐射损伤程度越高，其２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 比
值偏高的幅度就越大。
因此，ＡＬＬＥＮ 等［２３］认 为 引 起 ＬＡＩＣＰＭＳ 锆
石２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差的最可能因素是标准锆石与未知锆石之间物理性能（晶体状态）的差异，这种差异
本质上由二者遭受的
α通量不同所致。未知锆石的
ＬＡＩＣＰＭＳ２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄比“真实年龄”（ＴＩＭＳ
ＵＰｂ年龄）偏低还是偏高取决于标准锆石与未知
锆石哪个经历了更高的
α通量。该研究指出在没有
精确的 ＴＩＭＳ或者４０
Ａｒ３９
Ａｒ定年结果进行比对的
前提下，
α通量基体效应很容易被研究者忽视。然
而该效应对于年轻锆石定年结果的影响通常非常显
著，这是因为年轻锆石累积的
α 通量一般远低于标
准锆石。该效应对于古老锆石（大于１．０Ｇａ）的影
响并不明 显，这 是 因 为 研 究 者 通 常 采 用 古 老 锆 石
的２０７
Ｐｂ／２０６
Ｐｂ表面年龄作为结晶年龄，而
α 通量基
体效应主 要 影 响 Ｐｂ／Ｕ 比 值，而 不 影 响 Ｐｂ／Ｐｂ 比
值。即便如此，这一基体效应对古老锆石２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ
表面年龄的影响依然会关系到锆石年龄谐和度的计
算（用于考察２０７
Ｐｂ／２０６
Ｐｂ年龄的可信度）。
ＡＬＬＥＮ 等［２３］利用 １３ 种锆石的２０６
Ｐｂ／２３８ Ｕ 年
龄差 与 α 通 量 建 立 的 对 数 － 线 性 关 系 （
狔 ＝
４０７．８９
犲０．８４６
狓，见图３）似乎可以被用来校正
α通量基
体效应。然而图３中
α通量（
犇α）是采用公式（１）计
算的理论α通量，它是假设锆石自形成后一直记录
Ｕ、Ｔｈ衰变对晶体造成的损伤且没有受到后期热事
件的影响。存在较大差距。
由于很难确定锆石是否经历了自退火事件以及
退火修复的程度，导致很难准确获得锆石内部实际
保存的
α 通量。因此，图３所建立的关系式不能够
被用来校正
α 通量基体效应。不仅如此，
α 通量基
体效应的大小还与剥蚀方式有关。ＫＬ?ＴＺＬＩ等［９］
采用线扫描进行激光剥蚀得到的２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差
与
α通量之间的关系式［见图４（假设斯里兰卡锆石
仅保存了５５％的理论
α通量。ＶＣ＃１－２的数据明
显异常，其余数据点则拟合了良好的指数关系）］与
ＡＬＬＥＮ 等［２３］
对应的关系式具有明显差别。对 比
图３和图４可以看出，采用线扫描方式进行锆石 Ｕ
Ｐｂ定年分析在一定程度上减轻了
α通量基体效应

２．３ 高铀或高
犇犱狆犪基体效应
高铀 基 体 效 应，通 常 发 生 在 高 铀 锆 石 ＳＩＭＳ
２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 定年分析中，当锆石的铀含量超过一定
临界值，２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 表面年龄与锆石的铀含量呈现
出强烈的正相关。
高铀基体效应首先被 ＷＩＬＬＩＡＭＳ等［２１］发现该研究采用ＳＨＲＩＭＰ对 Ｔａｓｍａｎｉａｎ辉绿岩中锆石
进行定年研究时发现：当锆石中 Ｕ 的质量比在０～
２５００μｇ·ｇ－１时，其２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 表面年龄是一致的；
当 Ｕ 的质量比高于２５００μｇ·ｇ－１时，其表面年龄
以约３％／（１０００μｇ·ｇ－１）的速率增长。
许多ＳＩＭＳ２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 定年研究相继报道了高
铀基体效应，但目前对产生这种效应的铀含量临界
值 尚 未 达 成 统 一 认 识 （２ ５００ μｇ · ｇ－１［３７］
，
４０００μｇ·ｇ－１［３８］
，３０００μｇ·ｇ－１［２４］
），表面年龄的
增长速率也不相同［３％／（１０００μｇ·ｇ－１）［２１］
，２％／
（１０００μｇ·ｇ－１）［３７］
，２．２％／（１０００μｇ·ｇ－１）［２４］
，
０～８．５％／（１０００μｇ·ｇ－１）［３９］
］。这种差异被解释
为高铀基体效应受仪器条件（质谱类型、质谱参数）
和样品性质（锆石蜕晶化程度）共同影响［３７，３９］
。
ＷＨＩＴＥ 等［３９］ 在 不 同 的 参 数 条 件 下，利 用
ＳＨＲＩＭＰＲＧ 对 Ｔａｓｍａｎｉａｎ辉绿岩中锆石进行定
年，结 果 表 明：锆 石 ４ 个 阶 段 的 ＳＨＲＩＭＰ ＲＧ
２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄与 Ｕ 的质量比具有明显的相关性
（相关系数大于０．８），Ｐｂ／Ｕ 比值的增大速率最高为
８．５％／（１０００μｇ·ｇ－１），最低为２．１％／（１０００μｇ·
ｇ－１），并 且 都 不 存 在 低 铀 区 域 的 坪 区 年 龄。采 用
ＳＨＲＩＭＰＲＧ、ＳＨＲＩＭＰＩ、ＳＨＲＩＭＰＩＩ等３种二次
离子 质 谱 （具 有 不 同 的 二 次 离 子 提 取 系 统 ）对
ＭｏｕｎｔＤｒｏｍｅｄａｒｙ二长岩、Ｔａｓｍａｎｉａｎ辉绿岩中锆
石进 行 定 年，结 果 显 示 两 种 锆 石 的 ＳＨＲＩＭＰＩ、
ＳＨＲＩＭＰＩＩ的２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄与 Ｕ 的质量比之间
相 关 性 低，Ｍｏｕｎｔ Ｄｒｏｍｅｄａｒｙ 二 长 岩 锆 石 的
ＳＨＲＩＭＰＲＧ 测试结果比 Ｔａｓｍａｎｉａｎ辉绿岩锆石
测试结果表现出较低的相关性。
ＷＨＩＴＥ 等［３９］的研究不仅详细研究了仪器类
型及参数条件对高铀基体效应的影响，而且指出锆
石的辐射损伤随时间逐渐累积，对于年轻的锆石，即
使 Ｕ 的质量比高于１００００μｇ·ｇ－１也不显示出高
铀基体效应。这说明要定义高铀锆石，还需要考虑
锆石自身的年龄。因此，高铀基体效应的临界值应
当随着年龄的增大而减小。对于古老的锆石（大于
４Ｇａ），即使 Ｕ、Ｔｈ等放射性元素含量非常低，但其
在漫长的地质年代中遭受相当强烈的辐射损伤。可
见，只有当锆石遭受的辐射损伤积累到一定程度，其
ＵＰｂ定年结果才显现出高铀基体效应，因此不能
以统一的铀含量临界值来衡量所有锆石分析存在的
高铀基体效应。

结论
ＬＡＩＣＰＭＳ锆石 ＵＰｂ定年存在的基体效应
是指由于标准锆石和锆石样品基体的差异，使得二
者在分析过程中元素和同位素分馏行为不一致，从
而导致外标校正技术获得的 ＵＰｂ定年结果准确度
和精密度降低的一种现象。已有研究表明基体效应
的类型主要有元素基体效应、高铀或高
犇ｄｐａ基体效
应和α通量基体效应。
１）元素基体效应表现为 Ｃａ＋Ａｌ＋Ｆｅ＋Ｍｇ或
Ｐ＋ Ｕ＋Ｔｈ＋ＲＥＥ 等 元 素 与 ＬＡＩＣＰＭＳ ２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ年龄差的相关性。然而，元素基体效应尚需更
多的研究来确认其是否存在，继而开展该效应的机
理研究。
２）高铀基体效应是由于仪器条件和样品性质
共同 决 定，表 现 为 高 铀 锆 石 的 铀 含 量 与 ＳＩＭＳ
２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 表面年龄的强烈相关性，大都存在着低
铀含量的年龄坪区。该效应无法使用单一外标法对
高铀锆石的 ＵＰｂ数据进行校正。高铀基体效应与
锆石自身 的 辐 射 损 伤 程 度 密 切 相 关，本 质 上 是 高
犇ｄｐａ基体效应。在确定锆石结晶状态的基础上，利
用
犇ｄｐａ＞０．０８的筛选指标，可以降低该效应对定年
结果的影响。
３）
α通量基体效应是由于标准样品和未知样品
的
α 通 量 差 异 所 致，表 现 为 锆 石 的
α 通 量 与 ＬＡ
ＩＣＰＭＳ２０６
Ｐｂ／２３８
Ｕ 年龄差的强烈相关性。在 ＵＰｂ
定年分析前，在高温下对标准锆石和锆石样品进行
热退火修复，消除二者的
α通量差异，可以有效地避
免
α通量基体效应。