放射性同位素地質年代學簡介/第 5 部分 - 岩石到比率：分析方法
在本節中，我們將介紹從感興趣的礦物中推匯出準確的 P/D 比率所需的步驟，該比率可以輸入年齡方程，並結合關於衰變速率的資訊，可以轉換為礦物日期。確定 P/D 涉及質譜分析，但是即使可以測量 P/D 比率，它也不會代表所分析樣品的 P/D 比率，因為該比率將在質譜分析（見下文）以及任何用於分離感興趣元素的化學過程（在質譜分析之前）中發生分餾。
同位素稀釋 (ID) 是確定兩種不同元素（例如，238U/206Pb）的兩種同位素比率的基本方法。
對鋯石（作為多晶粒餾分、單晶粒或晶粒碎片）進行 ID-TIMS 分析涉及在示蹤同位素存在下溶解鋯石，被稱為同位素稀釋。對於 U-Pb ID-TIMS 分析，最常用的示蹤劑是 205Pb 和 235U。205Pb 是一種人工同位素，在自然界中不存在，而 235U 在自然界中存在，但富集形式用作示蹤劑。鋯石中天然 U 假設具有 238U/235U = 137.88（Steiger 和 Jager，1977），因此示蹤劑可用於確定樣品中 238U 和 235U 的摩爾數。由於示蹤劑在溶解之前新增，因此即使在化學過程中回收率不完全以及分析過程中電離效率低的情況下，示蹤劑/樣品同位素比率也會保持不變。溶解後，樣品透過陰離子交換化學進行化學純化，該化學允許將 Zr 和 REE 與 Pb 和 U 分離，並將 Pb 和 U 相互分離。
純化後，Pb 和 U 透過熱電離質譜法分別進行分析，其中可以測量樣品同位素（204Pb、206Pb、238U 等）與示蹤同位素（205Pb、235U）的比率。由於已知新增至相同樣品的示蹤同位素量，因此根據測量的樣品同位素/示蹤同位素比率，可以確定樣品中每種天然存在的同位素的原子數。. 在校正質量分餾、試劑、示蹤劑和實驗室器材中常見 Pb 和 U 的微小貢獻後，可以確定樣品 206Pb/207Pb、206Pb/238U 和 207Pb/235U 比率，並計算 206Pb/207Pb、206Pb/238U 和 207Pb/235U 日期。有關同位素稀釋技術的進一步討論，請參見第 5.2.3 節。該技術的最佳化意味著現在可以對 <10 pg 放射成因 Pb 的鋯石進行測年，並在單顆粒分析中獲得 U/Pb 比率 <0.1% 的精度。這是一種非常勞動密集型的技術，每次單次 U/Pb 分析都需要在超淨實驗室環境中進行幾個小時的質譜分析和化學純化，這使得開發高 n 資料集非常耗時。
等時線技術涉及對多個樣本進行分析，這些樣本假設具有相同的年齡，在母體/子體比率方面存在差異，並且一直是封閉系統。為了最大限度地提高樣本具有相同年齡和具有相同初始同位素組成的可能性，最好設計適當的取樣策略。例如，Re-Os 年代學通常在層狀富含有機物的頁岩上進行，因此必須從相同的限制地層間隔（例如，（Kendall 等人，2004）中獲取多個樣品，以避免跨越比不確定性大得多的時間的樣品。在某些情況下，例如使用岩心樣品，這並不總是可能的（Kendall 等人，2006；Schaefer 和 Burgess，2003）。如果子元素的初始同位素組成發生時間變化，或者代表了相當長的時間，尤其是在縮短的剖面中，這可能是一個複雜的因素。在碳酸鹽中的 U-Pb 中，不同的膠結域可能具有非常不同的 U-Pb 比率，但很難事先知道這些膠結物是否都具有完全相同的年齡並具有相同的初始比率。在這兩種情況下，與相同年齡和初始比率假設的偏差會導致計算的日期中出現更大的分散和不確定性。
樣品溶解和純化技術類似於 U-Pb ID-TIMS 的程式。在進行同位素比率質譜法之前，樣品會進行溶解和化學純化。對於多元素系統（如 Re-Os、U-Pb 和 Lu-Hf），在溶解之前會新增同位素示蹤劑以進行同位素稀釋（見上文），而對於僅測量子同位素的系統（即 Pb-Pb），則直接測量同位素比率。同位素組成是透過熱電離質譜法確定的，儘管也可以使用溶液模式 ICPMS 來測定大多數元素。
等時線技術的準確性和精度在很大程度上受初始母體/子體比率的差異、封閉系統行為以及所有樣品具有相同的初始同位素組成的影響。對於碳酸鹽和磷酸鹽等沉澱物，通常沒有明顯的碎屑輸入，但對於針對 Re-Os 的富含有機物的頁岩來說情況並非如此，因為可能存在來自多個來源的大量初始 Os 濃度。這在一些研究中已經得到證實（Creaser 等人，2002；Kendall 等人，2004），但可以透過使用 CrO3-H2SO4 溶解方法選擇性溶解有機成分來限制碎屑 Os 的貢獻。Kendall 等人（Kendall 等人，2004）比較了兩種溶解方法（王水溶解與 CrO3-H2SO4 溶解）對來自加拿大西部奧爾德堡特角組的綠片岩相富含有機物的頁岩。兩種溶解技術都用於相同的粉末，但王水方法產生的資料分散，所得的“等時線”迴歸的 MSWD 為 65，並且“年齡”不確定性很大（9%），而 CrO3-H2SO4 溶解方法產生的等時線分散性小得多（MSWD = 1.2）並且相對不確定性較低（0.8% 2 西格瑪）（Kendall 等人，2004）。
確定給定衰變系統的 P/D 比率的另一種方法是透過質譜法直接測量 P/D 比率
微束技術鈾鉛年代學在過去二十年中徹底改變了年代學。兩種主要技術是二次離子質譜法 (SIMS)，以 SHRIMP（靈敏高解析度離子探針）為代表，以及雷射剝蝕電感耦合等離子體質譜法 (LA-ICP-MS)。這兩種技術（統稱為“微束”技術）都提供高空間解析度分析，使用聚焦離子束濺射鋯石體積（SIMS）或雷射汽化鋯石體積（LA-ICP-MS）。微束技術允許對非常小的體積進行原位分析，從而實現高空間解析度；離子探針分析的典型鋯石體積為圓柱形，直徑 20-30 微米，深度幾微米，而 LA-ICPMS 分析的體積更大一些（Kosler 和 Sylvester，2003）。此外，這些分析可以相對快速地完成（LA-ICPMS 和 SIMS 每天可完成數十次分析）。更重要的是，這些技術允許分析剩餘的礦物以獲得其他感興趣的同位素/元素（Hf、O、稀土元素），並且可以在與用於年代學分析的體積緊密相鄰的同一鋯石顆粒上進行。
微束 U-Pb 鋯石方法的基礎是使用一種主要標準來校準未知鋯石的 U/Pb 比率。對於 SIMS 技術，這種校準涉及對標準鋯石進行分析，以建立已知 U/Pb 比率的校準曲線（透過 ID-TIMS 分析確定），並將其與未知鋯石的分析結果進行比較。這透過分析階段來實現，在分析階段，反覆分析標準鋯石，並將其與未知鋯石的分析結果交替進行（稱為樣品-標準包圍）。在單個分析階段中，標準的測量比率/日期可能會漂移幾個百分點。對於 LA-ICPMS，方法有些類似，即採用樣品-標準包圍來確定元素間分餾，然後將其應用於未知鋯石。在 SIMS 和 LA-ICPMS 技術中，207Pb/206Pb 比率都是直接測量值，對於 SIMS，質量依賴分餾似乎很小，並且通常使用測量比率，而在 LA-ICPMS 分析中，質量依賴分餾是可量化的，並且透過樣品-標準包圍或使用已知 205Tl/203Tl 比率的溶液來校正鉛同位素比率的質量偏差。有關微束技術更詳細的資訊，請參閱 Ireland 和 Williams（Ireland 和 Williams，2003）關於 SIMS U-Pb 年代學的綜述以及 Kosler 和 Sylvester（Kosler 和 Sylvester，2003）關於 LA-ICPMS 年代學的綜述。
微束技術提供的較高空間解析度的優勢是，使用 LA-ICPMS 和 SIMS 進行的單個點分析的精度比 ID-TIMS 低大約一個數量級（Ireland 和 Williams，2003；Kosler 和 Sylvester，2003）。原位技術毫無疑問是表徵來自火山岩和變質岩的複雜（帶狀）鋯石以及表徵碎屑群落的必要工具，在某些情況下，這些碎屑群落可以提供對序列的最小年齡的可靠估計。
一般來說，質譜儀 由三個部分組成：離子源、磁體和檢測器。電離 分析物可以透過多種方式實現，在年代學中，主要的電離技術是熱電離、二次離子電離和電感耦合等離子體電離。電離是透過剝奪原子的電子來實現的，從而產生帶正電的粒子。質譜法中電離的三種通用方法是：熱電離、等離子體電離和二次離子電離。
熱電離質譜法 (TIMS) 是一種高度靈敏的同位素比率質譜表徵技術，它利用熱電離 效應，其中化學純化的樣品被加熱以引起樣品原子電離。離子使用高電壓加速並聚焦成束（更多細節），然後根據離子的質荷比分離成單獨的束，然後使用離散檢測器檢測這些不同的離子束...
等離子體電離質譜法 (PIMS) 利用電感耦合等離子體 對樣品進行電離，並使用各種方法分離和分析質譜。扇形場 ICP-MS 儀器 (SF-ICP-MS) 使用磁場 來分離具有特定質荷比的離子。它們使用透過向銅線圈提供射頻 (r.f.) 交流電並透過玻璃炬的中心向線圈中心供應等離子體氣體（通常為氬氣）產生的感應等離子體 源。這種等離子體由特斯拉線圈點燃，並由射頻 (r.f.) 的交流電穩定。引入等離子體的物質被電離，並使用一系列帶電金屬板（稱為離子光學器件）聚焦，這些金屬板迫使離子進入狹窄的光束。該光束使用高提取電位加速到 10 keV，並被引導到靜電分析儀和電磁體。透過將離子束引導透過源狹縫進入靜電分析儀，離子束的動能被歸一化。該裝置施加電場以在進入電磁體之前歸一化離子束的動能。當離子束被引導到垂直於磁場並以不同弧形軌跡穿過磁場時，根據它們的質荷比發生質量分離。在一些儀器中，靜電分析儀放置在電磁體之後。
二次離子質譜法 (SIMS) 是一種透過用聚焦的離子微束 轟擊表面並收集噴射出的二次離子來分析固體材料的化學和同位素組成的技術。
電離後，電場將離子流聚焦並加速，使離子流沿高真空中的飛行管進入電磁場。該磁場根據單個離子的質荷比將離子束分離。這種質譜儀的設計稱為扇形儀器。許多扇形儀器還在離子飛行路徑上放置一個靜電分析儀，該分析儀位於磁體之前或之後，其中離子束根據單個離子的動能進行過濾和聚焦。一旦離子流根據質荷比分離，它們就進入檢測器。檢測器記錄離子撞擊它時產生的電流。單收集器儀器一次只能測量一個質量，並且可以透過調整電磁體的電流來掃描質量範圍。多收集器儀器利用一套檢測器來同時分析多種質量。除了電離方法之外，大多數用於年代學的質譜儀都具有相同的基本設計。
法拉第杯
離子計數器
能量過濾器
靜態檢測與動態檢測
質量分餾
檢測器線性
檢測器增益