专家走进孙老师的课堂

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2022-03-28

程哲 整理

专家信息：

吴石头

中科院地质与地球物理研究所

高级工程师

研究方向：激光原位U-Pb定点

研究项目：

1、副矿物LA-ICPMS U-Pb定年

2、元素/同位素微区分析标准物质研发

孙老师：

上节课我们开始了如果石头会说话系列，已经向大家介绍了石头的年龄，大家十分好奇石头的定年方法有哪些。今天为大家邀请到了这个方面的专家，这个专家不仅是定年方面的专家，还是一位会说话的石头。他就是中国科学院地质与地球物理研究所的高级工程师——吴石头。为什么叫“无石头”呢，我猜可能与他研究石头的方法有关，因为石头到他手里就没了。我们欢迎吴老师。

吴老师，您好！

吴老师：

您好，各位同学好。

孙老师：

吴老师您用的方法是激光的定年方法，我们在生活中其实也会用到激光。比如说医美方面，激光祛斑、激光近视眼手术。您用的激光和医学上或者生物学上一样吗？

吴老师：

我们在地学上用的激光和医学、工业上用的激光还是有差别的。现在医学上用的激光，比如近视手术，利用的是飞秒，用来改善近视，可以用飞秒快速切割的技术。飞秒现在在医学上有着举足轻重的作用。正是因为飞秒的广泛应用，飞秒激光技术曾经获得诺贝尔物理学奖，有兴趣的同学们可以查一下。在工业上激光技术也不同，工业上涉及到在硅板上或者硅片上进行一个非常精细的加工，比如刻一些规则的图案，一些小的几微米的束斑，或者一个横，或者一个竖，用来填充电子设备。这时候多数用飞秒，也有用纳秒的。相比于工业和生物来说，地学的激光是非常小众的。我们主要应用的是激光剥蚀，是用激光把矿物或者岩石样品进行激光剥蚀，就像一个小锤子敲一块岩石一样，用激光这个“锤子”把样品非常微区的地方敲出来一些粉末。粉末吹送到ICP里面电离，然后测量它的同位素比值。这其实是应用到了激光里面非常小的一个方面。

孙老师：

那吴老师您能展示一下这个仪器吗？

吴老师：

大家可以看到这个黑色的箱子就是一个激光器，激光器就是用来产生激光的，产生激光后会通过一个光路，里面包含反射镜、透射镜对激光进行聚焦、匀化，然后再次聚焦，一直到达样品表面，这样我们就可以使用激光器了。我们这个实验室主要是用来做年龄的，我们这里主要有两台激光器，黑箱子一台，还有一台是带孔的。两个激光器是有差别的，一个能量大，一个能量小。能量大的可以做一些矿物硬度比较大的实验。能量小的做一些矿物好做的实验。

孙老师：

我们同学们也有很多问题向吴老师请教，那我们把时间交给同学们。

同学：

吴老师您好，激光原位定年技术时至今日已经日趋成熟，您能帮我们简单介绍一下它的发展历史以及成就吗？

吴老师：

在1980年出现商用ICP质谱，出现ICP质谱后，在1985年就有学者尝试用激光采样，然后连起ICP质谱使用。经过第一次尝试之后，由于当时质谱和激光的技术不成熟，一直到1995年，才有学者做出一个不像1985年那么初级的结果。因为随着仪器的迭代，1995年的时候有人率先尝试了利用激光做锆石的U-Pb年龄。虽然仪器迭代的比较好了，但是那时候精度依然比较差。那时候用的激光主要还是红外激光，激光剥蚀的部分效果比较差，所以导致定年的精度很差。又过了10年左右，在2004年发表了两篇激光做锆石U-Pb定年的标志性文章。那么从2004年开始到后面激光做锆石U-Pb是相对比较成熟的，可以正常对外服务，精度可以达到1.5%。这个技术成熟之后，又过了10年左右，大约2016年左右，因为全世界激光实验室的增加，虽然技术比较成熟，但是还需要与不同实验室比对。在2016年有学者写了一篇文章，来将各个实验室激光数据的参数进行标准化，直到现在国内第三方检测公司基本上技术十分成熟。具体的发展历史就是一开始的初级尝试，随着仪器迭代，有了稳定的输出。当这个技术成熟的时候，还需要对这个技术进行实验室之间的标准化。

同学：

吴老师您好，我想问一下激光定年技术相较于其他定年技术有什么优势吗？

吴老师：

现在对于U-Pb体系来说主要有三个技术，第一个就是非常古老的技术，也是一个基准，就是ID-TIMS（同位素稀释热电离质谱）。那么这项技术是最早做U-Pb定年的，大约在1960年出现这个技术。在1980年人们开始利用离子探针，利用离子束做微区年龄。到了我们刚刚说的1995年才出现激光技术。从这三个技术来对比，激光既有优点也有缺点。相对于热电离质谱来说，它是一个微区技术，可以进行微区定年。相对于离子探针，它最大的优点是速度快，离子探针做一个样品可能需要15分钟左右，而激光仅需要1分钟，并且激光的成本要低很多。因为一台离子探针将近3000万，而一台激光和质谱也就300万到500万左右。这就使激光更容易普及，再加上它的测试速度快，可以进行大量的样品分析，特别是碎屑锆石定年方面。相比于离子探针来说，它的缺点是分析精度和准确度要差一些。

同学：

吴老师，请问激光原位定年技术结果的精准度如何？误差是多少？

吴老师：

我们所能做到的激光的误差通常是在1.5%-3.0%，做到最好的也就是1%-1.5%。当然这个是跟实验室的仪器有关，比如实验室仪器老一些，它的灵敏度低，稳定性差。仪器新一些，它的稳定性好，精度会高一些。

孙老师：

好的，谢谢吴老师，谢谢这位会说话的石头！