鲁瑶、张亮亮、刘力等：LASS深度剖面突破锆石U–Pb–Hf同步分析空间分辨率限制【AC，2026】

发布时间：2026-09-04     作者：    阅读：0次

锆石是地质年代学和同位素地球化学研究中最重要的矿物之一。其性质稳定，封闭温度高，能够长期保存构造-岩浆信息。因此，锆石U–Pb年龄和Hf同位素组成常被联合用于研究地壳演化历史。然而，在碰撞造山带经常交织着多期次的构造-岩浆活动，从而形成具有复杂环带结构的锆石。准确提取这些锆石所记录的年龄与成分信息，是重建碰撞带地壳演化历史的关键所在。然而，目前的技术瓶颈是，现有技术无法测量较窄锆石边部的Hf同位素。

传统分析中的U–Pb定年和Hf同位素测试往往分开进行，且往往采用不同的剥蚀点位或仅部分重叠分析区域。这不可避免地会导致年龄数据与同位素数据之间的空间不匹配，从而增加二者直接耦合解释的难度，并限制复杂锆石记录的地质解析能力。近年来发展的激光剥蚀分流技术（laser ablation split-stream，LASS）可以将一次剥蚀产生的气溶胶同时引入Q-ICP-MS和MC-ICP-MS，实现U–Pb年龄和Hf同位素的同步测试。然而，Hf同位素分析对信号强度要求较高，常规LASS方法仍受到束斑大小的限制，难以解析微米尺度的锆石薄边部。

针对这一问题，中国地质大学（北京）朱弟成教授团队博士研究生鲁瑶，在张亮亮副研究员和刘力教授的共同指导下，建立了一种新的锆石U–Pb–Hf同步分析方法：LASS深度剖面分析方法（图 1）。该方法将深度剖面分析与LASS技术结合，使激光从未抛光的锆石的外表面向内部连续剥蚀，并将同一次剥蚀产生的气溶胶分流至Q-ICP-MS和MC-ICP-MS，实现沿单一剥蚀轨迹获得精确配对的年龄–同位素数据，并有效克服了传统锆石U–Pb–Hf耦合分析中存在的空间分辨率限制。

图1 LASS深度剖面方法仪器连接方式图

LASS深度剖面方法的样品制备流程与传统抛光靶的制备方法存在明显差异，其核心是对未抛光的完整锆石颗粒进行剥蚀，并使每颗锆石的短轴垂直于双面胶表面，从而尽可能获取锆石不同生长域的连续元素和同位素信息（图 2）。由于Q-ICP-MS和MC-ICP-MS的信号传输路径不同，两台仪器之间的信号存在时间延迟。为解决这一问题，作者开发了自定义Iolite数据处理模块，将U–Pb、微量元素和Hf同位素数据整合到同一框架中，并自动校正两台仪器的信号延迟，使年龄和Hf同位素数据使用完全一致的积分区间。由于176Hf/177Hf比值变化幅度较小，不同积分区间之间的差异难以直接识别，该DRS模块进一步直接计算相应的εHf(t)值，从而提高单颗锆石内部不同生长环带识别和解释的可靠性。

图2 (a) LASS深度剖面方法的锆石侧视图；(b) 传统激光剥蚀法的锆石俯视图

在Iolite软件中进行区间选择时要遵循四个原则：（1）区间要选择高低不同的平台，年龄信号中的尖峰可能表明包裹体的存在，应尽可能避开；（2）避免选择有明显波动或斜率较大的部分，因为这些区域表明激光剥蚀到了不同年龄的混合区；（3）相邻年龄区间之间需保留足够的时间间隔（0.95 s），以减小激光信号拖尾效应的影响；（4）当单颗锆石中选择多个年龄区间时，需保证相邻年龄在2σ误差范围内不相互重叠。

为了验证方法的可靠性，研究选取BB、Jilin、Qinghu、SA01、91500、GJ-1和Plešovice七种常用的锆石标样进行分析。这些标样在元素丰度、结晶年龄和Hf同位素组成方面具有较大差异：U含量范围为35.9–3084 μg·g-1，涵盖了从贫U到富U锆石的代表性组成范围；年龄范围为117.2–1065.4 Ma，覆盖了从中生代到新元古代的多个地质时期；176Hf/177Hf比值范围为0.281674–0.283002，能够代表典型壳源和幔源物质的Hf同位素组成。结果显示，这些标样获得的U–Pb年龄、Hf同位素组成和稀土元素配分模式均与推荐值在误差范围内一致，证明该方法具有良好的准确性和稳定性（图 3）。

图3 91500、GJ-1、SA01、Jilin、Plešovice、BB#和Qinghu的U-Pb年龄协和图、均值图、稀土元素配分图和Hf同位素比值均值图

更重要的是，该方法在较短积分时间下仍能保持较高精度。在2–14 s的积分时间内，所有锆石标样的206Pb/238U年龄不确定度均小于6%，处于可接受的分析精度范围内；当信号积分时间超过3 s时，多个锆石标样的176Hf/177Hf不确定度（2s）优于0.000060，当信号积分时间超过5 s时，所有标样的176Hf/177Hf不确定度（2s）均低于0.000060（图 4）。这表明，即使采用相对较短的积分时间，该方法仍能够维持高精度的Hf同位素测定。根据激光剥蚀速率计算，该方法的纵向空间分辨率可达约3 μm，显著优于常规LASS或LA-MC-ICP-MS分析尺度。

图4 选取信号的区间长度与数据精度的关系图

随后，作者将该方法应用于西藏雅鲁藏布江河沙碎屑锆石中（图 5）。结果显示，样品中的锆石普遍发育核–边结构，年龄主要集中于90–70 Ma和50–30 Ma，与冈底斯岩基主要岩浆活动期一致。多数锆石核部与边部的年龄和εHf(t)值差异较小，表明其可能形成于连续或密切相关的岩浆事件，并反映出相对稳定的源区性质（图 6）。该方法获得的年龄分布特征与传统深度剖面分析结果一致，同时能够提供与年龄严格匹配的Hf同位素信息。天然样品中超过90%的176Hf/177Hf数据不确定度优于0.000060，显示出良好的准确性和稳定性（图 7）。此外，该方法成功识别并分析了厚度仅1.8 μm的锆石边部，显著提升了复杂锆石 U–Pb–Hf 耦合分析的垂向空间分辨率。该方法的最大优势是可以一次性测量单颗锆石内部核部与边部的年龄与Hf同位素，从而通过揭示复杂结构锆石多期生长历史，为破译多期次的深部动力学过程提供了重要的技术支撑。

 图5 典型的具有核-边结构的锆石颗粒信号图

图6 冈底斯样品中锆石U–Pb年龄与Hf同位素组成的关系

图7 LASS深度剖面方法与传统深度剖面方法的206Pb/238U年龄数据对比图

图8 文章封面图

上述成果受国家自然科学基金项目（42522202，42473039，92579106）和深地国家科技重大专项（2025ZD1005000）联合资助，以封面文章形式发表在Nature-Index期刊《Analytical Chemistry》上：Yao Lu（鲁瑶）, Liang-Liang Zhang*（张亮亮）, Li Liu*（刘力）, Di-Cheng Zhu（朱弟成）, Jin-Cheng Xie（谢锦程）, and Qing Wang（王青）, Overcoming Vertical Spatial Resolution Limitations in Coupled Zircon U–Pb–Hf Analysis by Laser Ablation Split Stream Depth Profiling, Analytical Chemistry, 2026, 98, 21344-21352.

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c01357

参考文献：

(1) Zhu, D. C.; Wang, Q.; Weinberg, R. F.; Cawood, P. A.; Zhao, Z. D.; Hou, Z. Q.; Mo, X. X. Continental Crustal Growth Processes Recorded in the Gangdese Batholith, Southern Tibet. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2023, 51, 155–188.

(2) Lu, Y.; Zhang, L. L.; Liu, L.; Zhu, D. C.; Xie, J. C.; Wang, Q. A zircon LA-ICPMS reverse depth profiling analysis method and its geological application. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2024, 39, 829–840.

(3) Lu, Y.; Zhang, L. L.; Liu, L.; Zhu, D. C.; Xie, J. C.; Wang, Q. Overcoming Vertical Spatial Resolution Limitations in Coupled Zircon U–Pb–Hf Analysis by Laser Ablation Split Stream Depth Profiling. Analytical Chemistry, 2026.