同位素地質年代測定原理

摘要：本文闡述了同位素測年的原理、前提、方法，重點介紹了Rb—Sr法的原理、使用要求、適用范圍、原理、結果解釋及優缺點。

關鍵字：同位素 測定原理 Rb—Sr法

1. 測年原理和前提

同位素地質年齡，簡稱同位素年齡（絕對年齡），指利用放射性同位素衰變定律，測定礦物或巖石在某次地質事件中，從巖漿熔體、流體中結晶或重結晶后，至今時間。放射性同位素進入其中后，含量隨時間作指數衰減，放射成因子體積累。若化學封閉，無母體、子體與外界交換而帶進帶出，測定現在巖石或礦物中母子體含量，根據衰變定律得到礦物、巖石同位素地質年齡。

這種年齡測定稱做同位素計時或放射性計時。計時的基本原理就是依據天然放射性同位素的衰變規律，由此測定的地質事件或宇宙事件的年齡，謂之同位素年齡。

應用同位素方法測定地質年齡，必須滿足以下前提:

(1)放射性同位素的衰變常數須精確地測定，并且衰變的最終產物是穩定的。

(2)樣品及其測得的N和D值能代表想要得到年齡的那個體系。

(3)已知母體元素的同位素種類和相應的同位素豐度。并且無論是在不同時代的地球物質中，還是在人工合成物甚至天體樣品中，這些元素的同位素都具有固定的豐度值。

(4)體系形成時不存在穩定子體，即D0= 0(對于衰變系列，也不存在任何初始的中間子體)，或者通過一定的方法能對樣品中混人的非放射成因穩定子體的初始含量D0作出準確地扣除或校正。

(5)巖石或礦物形成以來，母體和子體既沒有自體系中丟失也沒有從休系外獲得。也就是說，巖石或礦物對于母體和子體是封閉體系。

其中(1)和(3)兩個前提是基本的，(4)和(5)兩個條件則決定了巖石或礦物地質歷史的一個模式。

2. 同位素測年主要方法

在同位素年代學上，除了利用天然放射性的衰變定律直接進行年齡側定外，還可以根據衰變射線和裂變碎片對周圍物質作用所產生的次生現象來計時。因此，總體上可將同位素年齡測定方法分為兩大類:

第一類為直接法，它們是基于放射性同位素自發地進行衰變，按照衰變定律來測定年齡。這類方法又分三種情況：

(1)通過測定巖石或礦物中天然放射性母體及其衰變的最終子體的含量，利用方程來計算年齡。如鉀一氬法、銣一鍶法、鈾-釷一鉛法、鑭－鈰法、釤－釹法等。這些大多是目前最重要的計時方法。

(2)通過測定放射性母體(可以是衰變系列中的某一中間產物)的現存含量和合理假設它的初始含量，然后根據方程來計算年齡。如碳-14法、鈾系法、沉降核類法等。

(3)利用由于天然放射性衰變而引起某些穩定同位素組成的變化來測定年齡。如鈾-鉛法中的207Pb/206Pb法、普通鉛法等。

第二類為間接法，是依據放射性衰變時的射線(主要是α射線)和裂變碎片對周圍物質作用的程度來測定年齡。如裂變徑跡法、α反沖徑跡法、熱釋光法、電子自旋共振法、多色暈法、輻射損傷法、氧化法等。

3. Rb－Sr法

Rb-Sr等時線法在應用于成礦時代研究時，多測定全巖、礦物和石英包裹體。全巖Rb-Sr等時線法多解決成礦圍巖的時代，是間接應用于成礦時代的研究方法，而蝕變礦物、蝕變帶或礦體中石英包裹體的Rb-Sr等時線法則是直接的測定成礦時代的方法。

3.1原理和年齡計算

銣－鍶法年齡測定是基于自然界中87Rb經過β－衰變形成穩定同位素87Sr即

87Rb→87Sr+β－+ν+Q

式中衰變能Q為0.275MeV。

其計時公式為：t=1/λ ln(87Sr/87Rb+1)。

3.2 銣－鍶等時線

銣－鍶等時線法由Nicolaysen（1961）提出。一個化學和同位素組成均一的巖漿，結晶分異、結晶固相和殘余熔體相分離結晶，形成化學成分不同火成巖；巖漿冷卻過程和存在時間相比短，巖漿生成的不同化學組成巖石有相同初始（87Sr/86Sr），不同母子體Rb/Sr比形成后保持母子體同位素封閉，除衰變外沒有得失，巖漿形成各樣品落在以（87Sr/86Sr）m（m表示測量值）為縱坐表、以87Rb/86Sr為橫坐標的一條直線上，Y=b+Mx該直線便稱為等時線，斜率是年齡t的函數，截距為初始鍶同位素組成即m= eλt-1，b= （87Sr/86Sr）。等時線斜率是年齡t函數，截距為初始鍶同位素組成。

等時線法給出一組同源巖石年齡，提供初始比信息，等時線數據點擬合成直線度檢驗樣品是否母子體封閉。為構筑等時線，盡可能選用不同母子體比樣品。

一組巖石礦物樣品進行等時線處理，需滿足：①同源、相同初始子體同位素組成，子體同位素均一化。②具相同成巖年齡。③巖石形成后，保持母子體封閉體系。

3.3銣－鍶法對年齡樣品的要求

為了準確測定巖石和礦物的年齡，樣品的選擇很重要。對樣品的要求是:

1. 在巖石和礦物形成時，鍶同位素曾經歷過均一化，隨后處于封閉體系，對銣和鍶來說即不丟失也沒有獲得。

2. 樣品具有合適的Rb/Sr比值、以保證樣品在等時線上的各點合理分布。這對準確確定巖石的年齡(87Sr/86Sr)初始比值是很重要的。

3. 同一組樣品中既要選擇Rb/Sr比值低的樣品，以利控制(87Sr/86Sr)的位置；又要選擇Rb/Sr比值高的樣品，以便精確測定年齡。對一組樣品來說，應盡可能選擇Rb/Sr比值變化均勻及總變化范圍較大的樣品。

4. 選擇富鉀的礦物，如黑云母、白云母。它們是Rb-Sr法中最常用的礦物。通常黑云母比白云母易受變質作用和蝕變作用的影響，易發生Rb、Sr的得失。另外還有鉀長石，其Rb/Sr比值較低，但這類礦物受到擾動時，對Rb-Sr的保留能力較強，即Rb-Sr封閉體系較好。角閃石和輝石類礦物中Rb/Sr比值都很低，一般只被用來確定(87Sr/86Sr)初始比值。沉積巖的年齡測定常選用海綠石，因其含有比較合適的Rb/Sr比值。

5. 對全巖樣品來說，最合適的是花崗巖類和酸性火山巖，因它們含鉀比基性巖高隨之銣也較高。玄武巖因Rb/Sr比值很低，常用來確定(87Sr/86Sr)初始比值。

采樣時應注意:

1. 樣品要有代表性，即具有一定地質事件的代表性。

2. 樣品新鮮，未經風化和蝕變。例如，云母沒有綠泥石化和蛭石化，長石沒有高嶺土化、絹云母化等。海綠石應為深綠色，不應有褐、棕等雜色。放射性礦物沒有放射暈和非晶質化。采樣位置應盡量遠離圍巖接觸帶、蝕變帶以及斷裂破碎帶和巖體中后期侵入的巖脈，以免放射性平衡遭到破壞。

適用于Rb-Sr法年齡測定的樣品有:

1. 單礦物:黑云母、白云母、鋰云母、鉀長石、微斜長石和海綠石等。樣品純度應在98%以上。樣品數量隨時代不同而異，如云母類、長石類、海綠石樣品，前寒武紀約1-2g，古生代2-3g，中生代4-6g，等時線樣品數要求5-10個。樣品粒度應粉碎至0.076mm。

2. 全巖:花崗巖、酸性火山巖、變質巖和沉積巖(頁巖、泥質粉砂巖、粘土等)，樣品量5g。

3.4銣－鍶年齡解釋

3.4.1巖漿巖

巖漿巖的同位素年齡包括巖漿侵入年齡、結晶年齡和噴出年齡。

由于巖漿的侵入和噴出，分別形成深成巖和火山巖。它們的銣鍶特征及其年齡測定分述如下:

1. 深成巖

深成巖的Rb-Sr年齡測定主要用于花崗質巖石和鉀長石、云母類礦物。但由于花崗巖類的成因和物質來源有所不同，所以它們的(87Sr/86Sr)初始比值各異。銣-鍶法也可測定堿性巖的年齡。而基性和超基性巖由于含銣較低，含鍶較高，因此，測其年齡比較困難。

2. 火山巖

火山巖的同位素組成因其產出地質環境不同而各異。沿大洋中脊噴發的海底拉斑玄武巖87Sr/86Sr比值最低，為0.7028；海島玄武巖略高，為0.70386；島弧火山巖較高，為0.70437；大陸火山巖最高，為0.70577。

概括來說，火山巖的(87Sr/86Sr)初始比值變化原因，一是原始巖漿Rb/Sr比值的差異，二是與圍巖的混染。

在理論上，造成原始巖漿Rb/ Sr比值差異的因素有:①上地慢或下地殼源區中Rb/ Sr比值原已存在差異;②地慢巖石中某些富銣相(如金云母)優先熔融。在這種情況下，巖漿的87Sr/86Sr比值取決于源巖的礦物組成、礦物間87Sr/86Sr比值的差異和熔融程度;③源巖顆粒間和微裂隙中的放射成因87Sr優先進入巖漿。87Sr是晶格中先前存在的87Rb衰變而成，后因擴散積聚起來;④分離結晶作用過程中富堿殘余熔漿的形成。

外來鍶對巖漿的混染有以下不同的機理:①深部巖漿被地殼較淺部位的派生巖漿所混染;②同化作用，例如玄武巖漿與洋殼深海沉積物的同化；③圍巖反應，如海底玄武巖被海水或熱尚水傾變，以及巖漿與大陸殼硅鋁質巖石的相互作用；④巖漿與各種類型水的滲合；⑤同位素交換，例如北蘇格蘭深成基性巖中異常高的87Sr/86Sr比值，認為是含水巖漿與圍巖之間同位素交換平衡的結果。

以上機理原則上也適用于深成火成巖。

3.4.2變質巖

巖石或礦物中的物質含量及87Sr/86Sr比值隨87Rb的衰變而變化。但當其遭受到變質作用時，可能會使巖石或礦物中的Rb-Sr體系發生不同程度的破壞，或者放射成因87Sr*的遷移和Rb、 Sr含量的變化僅發生于礦物之間，形成新的Rb-Sr體系，而全巖仍保持封閉體系，或者全巖變成開放體系，在大范圍內發生鍶同位素遷移和交換。

變質作用過程復雜，有些變質巖可能是多次地質作用事件的產物。因此，樣品的采集及其代表性是非常重要的。原則上利用Rb-Sr等時線法可求得多次地質事件發生的年齡。

3.4.3沉積巖

對Rb-Sr法來說，由于沉積巖中Rb、 Sr的賦存情況和演變復雜以及陸源碎屑物中繼承放射成因鍶的存在，沉積巖全巖Rb-Sr年齡測定還有一定困難。根據國內外一些學者對沉積巖全巖Rb-Sr年齡的測定，表明頁巖是沉積中最適宜測定的對象。

4. Rb－Sr法優缺點

4.1Rb-Sr法的優點

(1)樣品分布廣泛易選。既適用于巖石，也適用于礦物。但是如果礦物遭受變質，那么不同礦物對其中放射成因87Sr的保存性是不一樣的。一般來說，保存性以白云母最好，鉀長石次之，黑云母較差。

(2)適用K-Ar法測定的樣品都可采用Rb-Sr法，因此可直接與K-Ar法對比。

(3)應用范圍廣，測定時限也較長，特別在很多情況下可測定變質前巖石的年齡和成巖后變質作用等熱事件的年齡。所以，目前廣泛地應用于前寒武紀古老變質巖系及其礦產的研究。

4.2Rb-Sr法的不足

(1)衰變常數有多種，如用物理方法測定的為1.474 x 10-11a-1，用地質方法得出的為1.39 x 10-11a-1，也有采用1.41 x 10-11a-1的。因此，采用不同衰變常數計算年齡，其結果就出現一定的差異。

(2)測定分析技術要求很高，需要有超純的分析試劑和極低空氣污染本底的實驗環境。

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