陈冉冉｜吴石头等：激光原位磷灰石Lu–Hf定年技术取得新进展

论文信息：Chen R, Wu S T*, Niu J, et al. Sensitivity improvement for laser ablation Lu-Hf geochronology using iCap TQ ICP-MS/MS: Application to Apatite[J]. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 2026, 41: 3218–3232. DOI: 10.1039/D6JA00104A.

地球已有约46亿年的历史。在漫长的地质演化过程中，岩浆活动、山脉形成、矿产资源富集等重大事件不断发生。然而，科学家如何知道一块岩石形成于几亿年前，甚至几十亿年前？

答案之一，就藏在岩石中微小的矿物晶体里。

近日，中国科学院地质与地球物理研究所研究团队通过优化质谱仪关键部件，将Lu和Hf的检测灵敏度提高约1.5-3倍，为低镥含量磷灰石的原位同位素定年提供了更加灵敏的分析方法。

这项研究的意义，不只是让仪器能够检测更微弱的信号，更在于帮助科学家从普通矿物中读取更久远、更丰富的地质历史信息。

微小的磷灰石，为什么能够记录地球的年龄？

磷灰石是一类广泛存在于岩浆岩、变质岩和沉积岩中的磷酸盐矿物。虽然它通常只是岩石中的少量组分，却能够保存多种重要的地质信息。

其中，Lu-Hf同位素体系就像一座天然的“放射性时钟”。

自然界中的放射性同位素176Lu会以非常缓慢且相对稳定的速率衰变为176Hf，半衰期约为371亿年。通过测量矿物中的Lu和Hf同位素组成，并建立相应的年龄模型，科学家便可以推算矿物形成或同位素体系封闭的时间。

与磷灰石U-Pb体系相比，Lu-Hf体系具有较高的封闭温度。论文引用的研究表明，磷灰石U-Pb体系的封闭温度约为350-550℃，而Lu-Hf体系约为675-750℃。因此，Lu-Hf体系更有潜力保存高温岩浆活动和深部地壳演化的信息。

可以把这两种同位素体系理解为两只工作温度不同的地质时钟：它们可能记录岩石在不同温度阶段经历的事件。联合使用，有助于更完整地重建地质演化历史。不过，要让这座时钟准确报时，首先必须解决一个难题：磷灰石中的Lu含量通常很低，仪器很难获得足够强的同位素信号。

优化一个小部件，让检测信号提高1.5-3倍

激光剥蚀电感耦合等离子体串联质谱技术（LA-ICP-MS/MS）是近年来发展起来的矿物原位定年方法。研究人员使用激光在矿物表面剥蚀微量物质，再将其送入质谱仪分析。

这种方法类似于用一支极其精细的“激光笔”读取矿物内部的化学信息，不需要将整颗矿物溶解，因而能够保留矿物的空间结构信息。

然而，磷灰石中的Lu含量往往不足10 μg g-1，相当于每克矿物中只有不到10微克Lu。如此微弱的信号，对仪器灵敏度提出了很高要求。

研究团队把目光投向质谱仪中的一个关键部件——截取锥垫片（skimmer cone insert）。它位于质谱仪离子接口区域，能够影响离子进入后续分析系统的效率。研究人员系统比较了无截取锥插件以及厚度为2.8、3.5和4.5mm的三种垫片配置。结果发现，去除截取锥垫片后，Lu和Hf的信号明显增强。与常规使用的2.8毫米垫片相比，检测灵敏度提高约1.5-3倍，而且Lu/Hf元素分馏仍保持稳定（图1）。这相当于在不增加矿物中元素含量的情况下，提高了仪器接收微弱信号的能力，使原本难以分析的低Lu含量磷灰石更有可能获得可靠年龄。

图1 不同截取锥垫片配置下Lu、Hf的检测信号对比。不用垫片信号强度显著提高

激光光斑可以灵活调整，定年结果依然稳定

不同磷灰石晶体的Lu含量可能相差数百甚至数千倍。如果Lu含量较低，科学家就需要使用更大的激光光斑，剥蚀更多样品，以获得足够的检测信号。但这又带来一个问题：激光光斑变大，会不会影响Lu/Hf比值，进而造成定年误差？为此，研究团队采用85、110、135和150微米四种激光光斑，对磷灰石样品进行了系统测试。结果表明，虽然光斑大小不同、剥蚀的物质总量不同，但测得的Lu/Hf比值仍保持一致，变化约为1.2%，处于分析不确定度范围内。不同光斑的数据还能够形成一致的同位素等时线（图2）。

这说明，在所测试的条件下，可以根据矿物中Lu含量的高低灵活调整激光光斑，而不必担心由此产生明显的Lu/Hf元素分馏。这一结果使分析方法更加灵活，也为低Lu含量矿物的准确测年提供了重要保障。

图2 不同激光光斑尺寸对Lu/Hf比值和等时线的影响。不同光斑获得的结果总体一致，说明方法具有较好的稳定性

从1.6亿年到20.6亿年，验证地质时钟的可靠性

一种新的定年方法是否可靠，最终要看它能否测出正确的年龄。研究团队选择了来自南非、中国、加拿大等地区的7种天然磷灰石样品，涵盖不同的地质背景、Lu含量和形成时代（图3）。其中，南非Phalaborwa磷灰石的Lu含量仅约0.26-0.69 μg g-1，属于非常难以分析的低Lu样品。采用优化后的方法，获得约20.63亿年的Lu-Hf年龄，与该地区已知的地质年龄一致。对于我国大庙斜长岩体中的磷灰石，测得的Lu–Hf年龄约为17.38亿年，与已有锆石U–Pb年龄相符。

此外，研究团队还对约5.3亿年和约1.6亿年的磷灰石进行了测试，获得的Lu–Hf年龄与独立地质年代学证据总体一致。值得关注的是，部分经历后期地质改造的磷灰石，其Lu–Hf体系能够保存较早期的地质信息，而U–Pb体系可能受到不同程度的扰动。这进一步体现了开展多同位素体系联合定年的重要性。

图3 23种磷灰石样品的Lu/Hf、U/Pb比值及Lu、U含量分布。该图展示了不同磷灰石适用于两种定年体系的差异

过去，地质年代学研究常常依赖锆石等矿物。但并非所有岩石都含有适合定年的锆石，尤其是某些基性岩、碳酸岩及特殊矿床中的岩石，传统定年方法可能受到限制。磷灰石分布广泛，是一种极具潜力的地质年代学矿物。

该研究通过提升仪器灵敏度、检验激光剥蚀质量负载效应，并结合纳秒和飞秒激光分析，进一步完善了磷灰石Lu–Hf原位定年技术。研究还发现，在所测试条件下，飞秒激光具有较小的基体效应，为未来提高分析准确度提供了新的技术选择。当然，该方法仍存在一定局限。例如，低Lu含量磷灰石的年龄精度可能较低，不同矿物的同位素体系也可能受到复杂地质过程的影响，仍需要结合矿物结构和其他年代学证据综合判断。

研究为高温岩浆活动、深部地壳演化及复杂岩石的形成时代研究提供了新的技术支持。从一颗微小的磷灰石，到数十亿年的地球历史，科学家正在通过更加灵敏的分析仪器，让隐藏在矿物中的地质时间信息变得更加清晰。