同位素地质年龄测定技术及应用

  本文关键词：同位素地质年龄测定技术及应用，由笔耕文化传播整理发布。

第11期陈文等:同位素地质年龄测定技术及应用

1927

以考虑采用全岩样品作为测定对象。基性火山岩全岩样品作为Ar-Ar年龄测定对象较为普遍。一般认为,对于小于200Ma的细粒玄武岩全岩,可以获得满意的年龄值。对于更年轻的火山岩全岩来说,因为扩散作用的时间短,所以较易测得满意的年龄值。对于大于200Ma的基性火山岩,很难找到新鲜样品,也就难以获得可靠的全岩年龄。板岩是由泥质沉积物经再结晶作用形成的,其中大多数的K存在于细粒白云母中。由于原始沉积中的碎屑矿物常含有大量的放射成因Ar,因此,在测定和使用板岩年龄数据时,应考虑是否有古老Ar存在。

4.3 Ar-Ar法测年样品的采集和处理注意事项

Ar-Ar法同位素地质年龄数据的可靠性,既取决于测试技术的准确度,也取决于被测样品是否具有代表性,两者都不可忽视。虽然原则上要求被测样品在漫长的地质时间内处于封闭的化学体系,但是在自然界中往往难以达到。后期的叠加作用,如变质作用、热液蚀变作用、交代作用及各种表生风化作用,常常使平衡遭到破坏,造成年龄数据的偏低或偏高,甚至得出十分奇怪的地质结论。因此,采集合适的样品,具有某地质事件的代表性,是年代学研究中一项极其重要的工作。

野外采样,必须对所在地区的地质情况进行足够的了解和研究。必须查明各地质体之间的相互关系,特别要注意区分岩体和其中的捕虏体;要判明沉积岩中自生矿物和陆源碎屑矿物存在的可能性;要分清变质岩和变质残留体;要尽可能地在远离接触变质带和热液蚀变带的部位取样。最好在人工采石场、地下坑道的新鲜露头和钻孔岩芯等处取样。如果难以满足以上要求,则应尽量采集新鲜的具有代表性的岩石样品。

采样的目的和所要解决的问题必须明确,进行针对性地采样。如果为了确定岩浆岩中岩石矿物的结晶作用的时代,可采集原生的新鲜云母、角闪石类矿物;为了测定沉积岩的沉积年龄,可采集自生矿物,如海绿石、伊利石等;为了测定伟晶岩的形成时代,可采集云母类矿物;为了确定构造事件的时代或变质作用事件的时代,要采集受构造作用最强烈或变质程度最高的样品,并从中分选Ar同位素封闭温度较低的矿物供Ar-Ar法测年用;如果是为了确定变质岩原岩的时代,一定要在变质作用最弱或叠加作用不十分强烈的部位采样,并从中分选Arr对于年轻的火山岩,采用全岩或高温长石。一

般说来,年轻沉积地层中的火山岩是确定地层时代的重要对象,但要求样品特别新鲜。

单矿物样品的纯度要求在98%以上,必要时应进行镜下手工挑选。除去矿物的连晶、杂质和次生变化的矿物。云母要避免绿泥石化、蛭石化及次生风化;钾长石要避免绢云母化、条纹长石化及高岭石化;海绿石要避免铁化,应呈深绿色。全岩样品需要破碎1kg左右,经过过筛缩分,混合均匀。全岩样品的粒度最好是014~016mm,单矿物的粒度可在012~014mm之内(40~60目或60~80目)。送样的同时,还要求附交被测样品的光薄片鉴定资料,以及送样清单和说明书一份。说明书中要写明样品编号、名称、产地(省、县、乡、村名或经纬度)、可能的地质时代和采样地区的地质情况。同时还最好附上一份标明采样位置的采样地区的地质图和剖面图。

对测定样品的重量要求,取决于估计的地质年龄、K含量等。一般,对于大于20Ma的样品,云母、长石类高K含量矿物012g以上可以满足要求,闪石等低K含量矿物015g以上;对于小于20Ma的样品,云母、长石类高K含量矿物015g以上可以满足要求,闪石等低K含量样品1g以上。4.4 影响Ar-Ar法年龄数据可靠性的因素

地质样品Ar-Ar法年龄测定结果的可靠性取决于以下条件是否能够满足:

(1)在矿物存在的整个时期内,由40K衰变所产生的放射成因40Ar没有逸出过。

(2)岩石矿物形成过程中和形成以后,钾和氩(尤其是氩)从开放体系过渡到封闭体系,所经历的时间相对于封闭体系维持的时间要短得多,从部分封闭到完全封闭所经历的时间可以忽略不计。这意味着结晶以后矿物必须迅速冷却。

(3)不管是在矿物形成时,还是在以后的变质事件中,都没有过剩氩进入矿物。

(4)岩石矿物形成时所携带的氩同位素的丰度比(Ar/36Ar的比值)应与现代大气中40Ar/36Ar的

40

比值相同或可以扣除。也就是说,可以用现代大气氩同位素丰度或者等时线的初始值来校正样品形成时非放射成因的Ar。

(5)在矿物存在的整个时期内,对钾是封闭的。

(6)矿物中钾的同位素组成是正常的,而且除了K的衰变过程外,没有因为分馏作用或其他过40

40

1928

地 质 学 报2011年

在岩石矿物形成到测定年龄的漫长时间内,任

4040

何因素引起其中母体K和子体Ar的增减,都将导致所测得的年龄数据失真。例如,某种矿物岩石在某种特定的地质条件下发生外来40Ar(过剩40Ar、

40

继承Ar)的加入,将导致数据偏高。相反地,如果发生了40K的加入和40Ar的丢失,则将导致数据偏低。如果40Ar完全丢失,那么Ar-Ar时钟将重新拨动计时,开始记录新的地质事件。不论是理论上的推断还是多年来的应用实践,都证明Ar的丢失是影响Ar-Ar测年准确度的主要原因。而导致矿物中Ar丢失的地质因素有以下6种:

(1)矿物晶格对Ar的保存能力。不同的矿物对Ar的保存性能不同,有些矿物即使在常温常压下也不能把放射成因Ar保存下来。

(2)熔融。当火成岩侵入时或产生混合岩化时,受影响的岩石将被完全熔融,则使Ar-Ar/时钟0重新拨动。

(3)变质作用。由于温度和压力上升,变质作用通常引起Ar完全丢失。如果变质作用程度较浅,Ar仅部分丢失,Ar会以继承Ar的方式部分保存下来。

(4)风化和蚀变。这个过程可导致Ar全部或部分丢失。矿物完全蚀变可导致Ar全部丢失,但是通常风化蚀变并不完全导致矿物格架完全破坏,受风化的岩石仍然还含有一些Ar。

(5)重结晶。用于Ar-Ar测定的矿物,各种原因发生的重结晶作用,都会造成Ar的丢失。特别是盐类矿物的重结晶很难辨认,这是测定含盐类如钾盐的Ar-Ar年龄最困难的因素之一。

(6)重新受热。大多数矿物长期受到100~200e的加热就会发生Ar的丢失。这种受热可能是由深埋、附近岩脉的侵入或微弱的变质所引起的。重新受热的影响很难被辨认出来,因为此时矿物在物理、化学上的变化并不明显。重新受热是影响Ar-Ar计时的重要因素。

除了地质方面的因素之外,在准备和处理样品的过程中,Ar还可能发生丢失,如在单矿物分选过程中,如果将样品破碎的粒度远远小于矿物的自然粒度,就容易因为晶格破坏导致部分放射性成因40

Ar的丢失。实验室烘烤样品时温度过高或化学处理中引起矿物晶格的破坏等,不过这些都是可以避免的。4.5 Ar-Ar法年龄数据质量判断、数据解释注意事

项

(40

和总气体年龄(Totalage)。对于坪年龄,坪的宽度

越大越好,一般要求占总量的50%以上,最好在70%以上。年龄谱形态多种多样,有时可获得2个有地质意义的坪年龄,若出现3个或3个以上的坪年龄,不可能都有地质意义,要结合数据和地质情况综合判断哪个或哪2个坪年龄具有什么地质意义。如果存在过剩Ar,坪年龄无地质意义,应使用等时线年龄。在存在一部分Ar丢失的情况下,等时线法仍能获得真实年龄(低温阶段析出Ar数据不参加计算)。总气体年龄相当于K-Ar年龄,在研究对象无年龄资料时,可供参考。

(2)可从年龄数据本身判断质量高低。年龄误差越小越好,一般要求小于5%,最好小于3%。组成年龄坪的39Ar释放量所占的比例越高越好,含过剩Ar越低越好。在等时线图上,等时线截距40

Ar/36Ar为29515左右,则无过剩Ar,也无Ar丢失。这时等时线年龄和坪年龄一致。

(3)对于火山岩,年龄可代表地质体的形成时代。对于未受后期作用叠加改造的年轻(新生代,特别是新近纪以来)的火山岩,其Ar-Ar法年龄可以解释为地质体的形成时代。但要注意过剩Ar和继承Ar的问题。此外,一些火山岩中的斑晶矿物可能是早期结晶相的矿物,并不能代表火山作用的时代。

(4)由于在测年误差范围内,许多情况下中浅成侵入体的冷却时间可不予考虑,矿物Ar-Ar法年龄可代表岩体的形成时代,至少对于划分岩体的形成时代不会出大的偏差。对于深成侵入体,如果岩体冷却速度较快,不同矿物虽然有不同的封闭温度,但其Ar-Ar年龄在测年误差范围内可能相同,故也可代表岩体的形成时代。

(5)如果深成侵入体和变质岩是缓慢冷却的,那么不同矿物的Ar封闭温度不同,此种情况下并非所有矿物的Ar-Ar法年龄都能代表岩体的侵入时代,只有封闭温度高的矿物的Ar-Ar年龄才接近或代表岩体的侵入时代。矿物封闭温度从高到低的排列顺序为:辉石(600~650e)、角闪石(500~600e)、透长石(400~450e)、白云母(350~400e)、金云母(300~450e)、黑云母(250~350e)、斜长石(230~300e)、钾长石(220~250e)、正长石(180~200e)、微斜长石(140~150e)。利用不同矿物封闭温度不同的特点,与其他测年方法结合,可以研究地质体经历的热演化历,,

第11期陈文等:同位素地质年龄测定技术及应用

1929

1996;Sorkhabietal.,1996;陈文寄等,1999;Schlupetal.,2003;王非等,2004;陈文等,2006;施小斌等,2006;Celerieretal.,2007;Maureletal.,2008;Harrisonetal.,2005,2009;Cassataetal.,2009;Metcalfetal.,2009;Steltenpohletal.,2009;Bermanetal.,2010)。

(6)沉积岩中碎屑矿物Ar-Ar法年龄测定,可能得到大量物源区的年龄信息。这种方法近年来在国际上蓬勃兴起(Stuart,2002;Hainesetal.,2004;Hodgesetal.,2005;Cliftetal.,2006;Rieseretal.,2006;Najman,2006;Breweretal.,2006;Reynoldsetal.,2009a,2009b;Hoangetal.,2010)。

(7)岩相学观察和研究对于Ar-Ar法年龄的解释也十分重要。不论测年对象是什么,都应注意是否遭受了蚀变改造。变质岩石中的一些非变质矿物的Ar同位素体系可能既不完全封闭也未完全重启,这时Ar-Ar法年龄就没有地质意义。有时,年龄数据正确,但年龄数据的地质解释不正确。例如,构造带(例如韧性剪切带)中新生矿物的Ar-Ar法年龄代表的是构造带活动的时代,而不是/原岩0(例如岩体)的形成时代。4.6 对Ar-Ar法的总体评价

Ar-Ar同位素地质测年方法虽然发展历史不长,但目前已经成为同位素地质年代学研究的最主要方法之一(Bogardetal.,2009;Bhutanietal.,2009;Parketal.,2009;Fosteretal.,2010;Karlstrometal.,2010;Marketal.,2010;Wilkeetal.,2010;Xueetal.,2010;Kirklandetal.,2007;Brownleeetal.,2010;Barryetal.,2010;Naibertetal.,2010;Aciegoetal.,2010;Jourdanetal.,2010;Dziggeletal.,2010;富云莲,1993;王松山等,2001;王非等,2006;陈文等,2005,2007;李文昌等,2009;李建康等,2009;潘小菲等;2009;邱华宁等,2009;王勇生等,2009;Zhu,2010)。该方法具有以下特点:①测量的时间域较宽。最老可到3800Ma(月岩年龄,Schaefferetal.,1977),最年轻可测到千年级(意大利维苏威火山喷发年龄,Renneetal.,1997);②测量对象广泛。原则上,所有的含钾矿物、岩石都可以用作Ar-Ar法同位素测年,甚至含有微量钾盐包裹体的非钾矿物如石英、闪锌矿等也有成功测定出Ar-Ar年龄的报道;③独特的分步加热技术和内部组分的Ar同位素相关图处理技术不仅可,历的多期地质演化信息;④和激光技术配套可以直接在岩石光片上寻找待测矿物进行微区(几十微米)几百微米)Ar-Ar测年,从而能够获得变质岩P-T-t轨迹研究中最精确的时间信息;⑤应用领域广泛,几乎所有的地质学分支学科中都有应用,各国科技工作者利用此方法解决了大量的有意义的地质问题,它们包括了局部的、区域的、甚至全球性的许多重要地质事件的时代。随着超高真空技术的引入及低本底高灵敏度静态质谱技术的应用,该方法的应用范围也从较老的地质体向新生代,特别是第四纪样品进军,并为地球动力学研究、古地磁倒转、第四纪地质和古人类学研究等提供了令人信服的证据;⑥是矿床年代学研究的最主要的技术手段;⑦是同位素热年代学研究的支柱技术。由于Ar-Ar法测年矿物广泛,这些矿物的封闭温度差别很大,从600~140e,跨越了约15km的正常地温梯度范围,因此,不论是用矿物对法还是用年龄高程法研究地质体的抬升-剥露历史,Ar-Ar法都是不可替代的工具。

Ar-Ar法测年也有其局限性。Ar-Ar同位素地质测年方法的局限性首先是分析技术比较复杂导致其成本高、分析周期长。其次是它要求待分析样品先在核反应堆中接收快中子照射,需要用年龄已知的标准样品同期接受照射以确定年龄计算参数J值,因此,J值测定的准确性直接影响样品年龄测定的准确性。在K转变成Ar的核反应过程中,由于快中子打击的动力作用,所产生的39Ar会产生位移,如果样品颗粒太小(10Lm以下),39Ar就会冲出颗粒边界而丢失。因此,对极细粒的粘土矿物用Ar-Ar法测定出的年龄结果就可能与样品的实际年龄有显著差别(通常是偏高)。对于古元古代和太古宙古老变质岩样品,由于可能存在K和Ar的自然扩散作用或后期变质、变形等多因素的扰动作用,用Ar-Ar法很难测出早期的变质事件年龄。

目前国内开展Ar-Ar测年研究和实验的单位主要有中国地质科学院地质研究所、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院广州地球化学研究所、中国地震局地质研究所、北京大学、中国地质大学(北京)和中石油勘探研究院等。

39

39

5 Rb-Sr法同位素定年

5.1 方法简介

Rb-Sr法测年应用的是87Rb放射出的B-粒子,87

1930

87

地 质 学 报2011年

位素Rb被确定;同年,Coldschmidt建议利用富Rb矿物定年;1943年,Hahn等获得了第一个由铯榴石测定的Rb-Sr年龄。上世纪60年代以后,随着同位素稀释法的引入,固体同位素质谱计灵敏度、精确度的改进及等时线概念的提出,该方法才被广泛应用。如今,Rb-Sr同位素计时体系仍然是同位素地质年龄测定的重要方法之一。

Rb是碱金属元素,在自然界由2个同位素组成,Rb和Rb,其丰度分别为2718346%和

87

7211654%。Rb具有放射性,它通过放射出B-粒子衰变为稳定的87Sr。Sr是碱土金属元素,有4个天然同位素,

88

87

85

异,Rb/Sr比值有足够的差别。

5.2 适合Rb-Sr年代学测定的对象和Rb-Sr等时

线构成要素

由于Rb与K、Sr与Ca具有地球化学一致性,人们在选择Rb-Sr法测定的对象时往往寻找含K的矿物,因此一般适用Ar-Ar法测定的对象也适用于Rb-Sr年龄测定。

(1)云母类矿物。如果没有受过后期变动,火成岩中的黑云母和白云母对Rb、Sr有较好的保存性,因此经常被用于Rb-Sr同位素年龄测定。锂云母一般都具有合适的Rb/Sr比值,因此也是年龄测定很好的对象。如果岩体受过后期变动,那么黑云母比白云母更容易受到影响,更易发生Rb、Sr的得失。

(2)长石类矿物(钾长石、微斜长石、斜长石等)。这类矿物中放射成因87Sr的保存能力很好。但有时也会出现Rb/Sr比值异常,因此给年龄测定工作带来困难。

(3)闪石和辉石类矿物。这类矿物中Rb/Sr比值较低,世界上得到这类矿物的年龄数据也很少,但可以直接从辉石中测定87Sr/86Sr的初始比值,作为研究岩石形成机理的示踪剂。

(4)沉积岩中的自生矿物)))海绿石。海绿石中的Rb/Sr比值较适合作年龄分析,但要注意有时候会存在这样的现象:海绿石的Rb-Sr年龄往往比可作比较的火成岩的云母Rb-Sr年龄偏低。

(5)全岩。全岩样品是指某种岩石的整体(包括组成岩石的全部矿物在内)。例如要采集花岗岩的全岩样品,一般取手标本大小的样品,将其全部破碎、磨细,严格按照缩分原则缩分至分析用的重量。

构成等时线的样品可以是全岩,也可以是矿物。前者称为全岩等时线,后者为矿物等时线或内部等时线。在使用Rb-Sr等时线时需要注意以下事项:①一条好的等时线必须具有高度的线性关系。这表明它满足条件:封闭演化,并且母、子体元素比值有大的变化。②对于一条好的等时线,岩石或矿物样品的母、子体元素丰度可能具有火成岩配分特征。如果不是这样,可能有无关样品引入,或者母、子体元素受到后期过程的影响。③好的等时线上的样品在地质上相关,这是其共成因和同时形成条件决定的。如:它们取自同一火成岩、同一侵入体或同一构造区有关岩石。如果不是,可以怀疑给出的年龄和初始值的正确性,或者可能是混合线。④好的等时Sr,

87

Sr,

86

Sr和85Sr,其丰度分别为

82156%,7102%,9186%和0156%。除87Sr有放射成因和非放射成因外,其余3个同位素都属非放射成因同位素。Rb-Sr年龄计算公式:

87

=Sr

87

87

Sr

8687

87

i

+

87

t

(eK-1)Sr

86

(5)

式中,Sr/Sr和Rb/

86

Sr为样品中现在的值,由

实验测定;(Sr/Sr)i为样品形成时或同位素均一化时的值(初始值);K为87Rb衰变常数,等于1142@10

-11

a;t为样品形成或Sr同位素均一化以来

-1

经历的时间。

对一组样品,如果它们具有相同初始同位素组成,形成于同一时间,并自形成或同位素均一化时起到现在样品中母、子体同位素保持封闭系统,既不迁出,也不迁入,这时方程(5)将是一直线方程,在

87

Sr/Sr-Rb/Sr图上形成一条直线,即等时线,

868786

由直线斜率可求出年龄t,即等时年龄值,截距为初始Sr同位素比值(87Sr/86Sr)i。

等时线法消除了年龄测定时未知的(87Sr/86Sr)i

比值的扣除,同时得到的年龄t和(Sr/Sr)i值,为岩石年龄和成因研究打下了基础。作为地球物质成因研究,Sr同位素是最为重要的参数之一。等时线法利用统计方法估价年龄的不确定性,揭示这个不确定性的地质基础及研究系统的多次扰动等方法,对复杂地质作用来说,其结果比单个样品置信度更高,更具代表性。

用于Rb-Sr等时线测年的样品(全岩和矿物)需要满足4个条件:①具有相同的初始Sr同位素比值(87Sr/86Sr)i,即地质作用已使所研究的对象在Sr同位素组成上完全/均匀化0;②形成年龄相同,或在测年误差范围内年龄相同;③形成后未受到后期地质作用改造,同位素体系仍保持封闭。④用于等时年87

86

  本文关键词：同位素地质年龄测定技术及应用，，由笔耕文化传播整理发布。