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第11期陳文等:同位素地質(zhì)年齡測定技術(shù)及應(yīng)用

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以考慮采用全巖樣品作為測定對象�；曰鹕綆r全巖樣品作為Ar-Ar年齡測定對象較為普遍。一般認為,對于小于200Ma的細粒玄武巖全巖,可以獲得滿意的年齡值。對于更年輕的火山巖全巖來說,因為擴散作用的時間短,所以較易測得滿意的年齡值。對于大于200Ma的基性火山巖,很難找到新鮮樣品,也就難以獲得可靠的全巖年齡。板巖是由泥質(zhì)沉積物經(jīng)再結(jié)晶作用形成的,其中大多數(shù)的K存在于細粒白云母中。由于原始沉積中的碎屑礦物常含有大量的放射成因Ar,因此,在測定和使用板巖年齡數(shù)據(jù)時,應(yīng)考慮是否有古老Ar存在。

4.3 Ar-Ar法測年樣品的采集和處理注意事項

Ar-Ar法同位素地質(zhì)年齡數(shù)據(jù)的可靠性,既取決于測試技術(shù)的準確度,也取決于被測樣品是否具有代表性,兩者都不可忽視。雖然原則上要求被測樣品在漫長的地質(zhì)時間內(nèi)處于封閉的化學體系,但是在自然界中往往難以達到。后期的疊加作用,如變質(zhì)作用、熱液蝕變作用、交代作用及各種表生風化作用,常常使平衡遭到破壞,造成年齡數(shù)據(jù)的偏低或偏高,甚至得出十分奇怪的地質(zhì)結(jié)論。因此,采集合適的樣品,具有某地質(zhì)事件的代表性,是年代學研究中一項極其重要的工作。

野外采樣,必須對所在地區(qū)的地質(zhì)情況進行足夠的了解和研究。必須查明各地質(zhì)體之間的相互關(guān)系,特別要注意區(qū)分巖體和其中的捕虜體;要判明沉積巖中自生礦物和陸源碎屑礦物存在的可能性;要分清變質(zhì)巖和變質(zhì)殘留體;要盡可能地在遠離接觸變質(zhì)帶和熱液蝕變帶的部位取樣。最好在人工采石場、地下坑道的新鮮露頭和鉆孔巖芯等處取樣。如果難以滿足以上要求,則應(yīng)盡量采集新鮮的具有代表性的巖石樣品。

采樣的目的和所要解決的問題必須明確,進行針對性地采樣。如果為了確定巖漿巖中巖石礦物的結(jié)晶作用的時代,可采集原生的新鮮云母、角閃石類礦物;為了測定沉積巖的沉積年齡,可采集自生礦物,如海綠石、伊利石等;為了測定偉晶巖的形成時代,可采集云母類礦物;為了確定構(gòu)造事件的時代或變質(zhì)作用事件的時代,要采集受構(gòu)造作用最強烈或變質(zhì)程度最高的樣品,并從中分選Ar同位素封閉溫度較低的礦物供Ar-Ar法測年用;如果是為了確定變質(zhì)巖原巖的時代,一定要在變質(zhì)作用最弱或疊加作用不十分強烈的部位采樣,并從中分選Arr對于年輕的火山巖,采用全巖或高溫長石。一

般說來,年輕沉積地層中的火山巖是確定地層時代的重要對象,但要求樣品特別新鮮。

單礦物樣品的純度要求在98%以上,必要時應(yīng)進行鏡下手工挑選。除去礦物的連晶、雜質(zhì)和次生變化的礦物。云母要避免綠泥石化、蛭石化及次生風化;鉀長石要避免絹云母化、條紋長石化及高嶺石化;海綠石要避免鐵化,應(yīng)呈深綠色。全巖樣品需要破碎1kg左右,經(jīng)過過篩縮分,混合均勻。全巖樣品的粒度最好是014~016mm,單礦物的粒度可在012~014mm之內(nèi)(40~60目或60~80目)。送樣的同時,還要求附交被測樣品的光薄片鑒定資料,以及送樣清單和說明書一份。說明書中要寫明樣品編號、名稱、產(chǎn)地(省、縣、鄉(xiāng)、村名或經(jīng)緯度)、可能的地質(zhì)時代和采樣地區(qū)的地質(zhì)情況。同時還最好附上一份標明采樣位置的采樣地區(qū)的地質(zhì)圖和剖面圖。

對測定樣品的重量要求,取決于估計的地質(zhì)年齡、K含量等。一般,對于大于20Ma的樣品,云母、長石類高K含量礦物012g以上可以滿足要求,閃石等低K含量礦物015g以上;對于小于20Ma的樣品,云母、長石類高K含量礦物015g以上可以滿足要求,閃石等低K含量樣品1g以上。4.4 影響Ar-Ar法年齡數(shù)據(jù)可靠性的因素

地質(zhì)樣品Ar-Ar法年齡測定結(jié)果的可靠性取決于以下條件是否能夠滿足:

(1)在礦物存在的整個時期內(nèi),由40K衰變所產(chǎn)生的放射成因40Ar沒有逸出過。

(2)巖石礦物形成過程中和形成以后,鉀和氬(尤其是氬)從開放體系過渡到封閉體系,所經(jīng)歷的時間相對于封閉體系維持的時間要短得多,從部分封閉到完全封閉所經(jīng)歷的時間可以忽略不計。這意味著結(jié)晶以后礦物必須迅速冷卻。

(3)不管是在礦物形成時,還是在以后的變質(zhì)事件中,都沒有過剩氬進入礦物。

(4)巖石礦物形成時所攜帶的氬同位素的豐度比(Ar/36Ar的比值)應(yīng)與現(xiàn)代大氣中40Ar/36Ar的

40

比值相同或可以扣除。也就是說,可以用現(xiàn)代大氣氬同位素豐度或者等時線的初始值來校正樣品形成時非放射成因的Ar。

(5)在礦物存在的整個時期內(nèi),對鉀是封閉的。

(6)礦物中鉀的同位素組成是正常的,而且除了K的衰變過程外,沒有因為分餾作用或其他過40

40

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在巖石礦物形成到測定年齡的漫長時間內(nèi),任

4040

何因素引起其中母體K和子體Ar的增減,都將導致所測得的年齡數(shù)據(jù)失真。例如,某種礦物巖石在某種特定的地質(zhì)條件下發(fā)生外來40Ar(過剩40Ar、

40

繼承Ar)的加入,將導致數(shù)據(jù)偏高。相反地,如果發(fā)生了40K的加入和40Ar的丟失,則將導致數(shù)據(jù)偏低。如果40Ar完全丟失,那么Ar-Ar時鐘將重新?lián)軇佑嫊r,開始記錄新的地質(zhì)事件。不論是理論上的推斷還是多年來的應(yīng)用實踐,都證明Ar的丟失是影響Ar-Ar測年準確度的主要原因。而導致礦物中Ar丟失的地質(zhì)因素有以下6種:

(1)礦物晶格對Ar的保存能力。不同的礦物對Ar的保存性能不同,有些礦物即使在常溫常壓下也不能把放射成因Ar保存下來。

(2)熔融。當火成巖侵入時或產(chǎn)生混合巖化時,受影響的巖石將被完全熔融,則使Ar-Ar/時鐘0重新?lián)軇印?/p>

(3)變質(zhì)作用。由于溫度和壓力上升,變質(zhì)作用通常引起Ar完全丟失。如果變質(zhì)作用程度較淺,Ar僅部分丟失,Ar會以繼承Ar的方式部分保存下來。

(4)風化和蝕變。這個過程可導致Ar全部或部分丟失。礦物完全蝕變可導致Ar全部丟失,但是通常風化蝕變并不完全導致礦物格架完全破壞,受風化的巖石仍然還含有一些Ar。

(5)重結(jié)晶。用于Ar-Ar測定的礦物,各種原因發(fā)生的重結(jié)晶作用,都會造成Ar的丟失。特別是鹽類礦物的重結(jié)晶很難辨認,這是測定含鹽類如鉀鹽的Ar-Ar年齡最困難的因素之一。

(6)重新受熱。大多數(shù)礦物長期受到100~200e的加熱就會發(fā)生Ar的丟失。這種受熱可能是由深埋、附近巖脈的侵入或微弱的變質(zhì)所引起的。重新受熱的影響很難被辨認出來,因為此時礦物在物理、化學上的變化并不明顯。重新受熱是影響Ar-Ar計時的重要因素。

除了地質(zhì)方面的因素之外,在準備和處理樣品的過程中,Ar還可能發(fā)生丟失,如在單礦物分選過程中,如果將樣品破碎的粒度遠遠小于礦物的自然粒度,就容易因為晶格破壞導致部分放射性成因40

Ar的丟失。實驗室烘烤樣品時溫度過高或化學處理中引起礦物晶格的破壞等,不過這些都是可以避免的。4.5 Ar-Ar法年齡數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷、數(shù)據(jù)解釋注意事

項

(40

和總氣體年齡(Totalage)。對于坪年齡,坪的寬度

越大越好,一般要求占總量的50%以上,最好在70%以上。年齡譜形態(tài)多種多樣,有時可獲得2個有地質(zhì)意義的坪年齡,若出現(xiàn)3個或3個以上的坪年齡,不可能都有地質(zhì)意義,要結(jié)合數(shù)據(jù)和地質(zhì)情況綜合判斷哪個或哪2個坪年齡具有什么地質(zhì)意義。如果存在過剩Ar,坪年齡無地質(zhì)意義,應(yīng)使用等時線年齡。在存在一部分Ar丟失的情況下,等時線法仍能獲得真實年齡(低溫階段析出Ar數(shù)據(jù)不參加計算)�？倸怏w年齡相當于K-Ar年齡,在研究對象無年齡資料時,可供參考。

(2)可從年齡數(shù)據(jù)本身判斷質(zhì)量高低。年齡誤差越小越好,一般要求小于5%,最好小于3%。組成年齡坪的39Ar釋放量所占的比例越高越好,含過剩Ar越低越好。在等時線圖上,等時線截距40

Ar/36Ar為29515左右,則無過剩Ar,也無Ar丟失。這時等時線年齡和坪年齡一致。

(3)對于火山巖,年齡可代表地質(zhì)體的形成時代。對于未受后期作用疊加改造的年輕(新生代,特別是新近紀以來)的火山巖,其Ar-Ar法年齡可以解釋為地質(zhì)體的形成時代。但要注意過剩Ar和繼承Ar的問題。此外,一些火山巖中的斑晶礦物可能是早期結(jié)晶相的礦物,并不能代表火山作用的時代。

(4)由于在測年誤差范圍內(nèi),許多情況下中淺成侵入體的冷卻時間可不予考慮,礦物Ar-Ar法年齡可代表巖體的形成時代,至少對于劃分巖體的形成時代不會出大的偏差。對于深成侵入體,如果巖體冷卻速度較快,不同礦物雖然有不同的封閉溫度,但其Ar-Ar年齡在測年誤差范圍內(nèi)可能相同,故也可代表巖體的形成時代。

(5)如果深成侵入體和變質(zhì)巖是緩慢冷卻的,那么不同礦物的Ar封閉溫度不同,此種情況下并非所有礦物的Ar-Ar法年齡都能代表巖體的侵入時代,只有封閉溫度高的礦物的Ar-Ar年齡才接近或代表巖體的侵入時代。礦物封閉溫度從高到低的排列順序為:輝石(600~650e)、角閃石(500~600e)、透長石(400~450e)、白云母(350~400e)、金云母(300~450e)、黑云母(250~350e)、斜長石(230~300e)、鉀長石(220~250e)、正長石(180~200e)、微斜長石(140~150e)。利用不同礦物封閉溫度不同的特點,與其他測年方法結(jié)合,可以研究地質(zhì)體經(jīng)歷的熱演化歷,,

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

(6)沉積巖中碎屑礦物Ar-Ar法年齡測定,可能得到大量物源區(qū)的年齡信息。這種方法近年來在國際上蓬勃興起(Stuart,2002;Hainesetal.,2004;Hodgesetal.,2005;Cliftetal.,2006;Rieseretal.,2006;Najman,2006;Breweretal.,2006;Reynoldsetal.,2009a,2009b;Hoangetal.,2010)。

(7)巖相學觀察和研究對于Ar-Ar法年齡的解釋也十分重要。不論測年對象是什么,都應(yīng)注意是否遭受了蝕變改造。變質(zhì)巖石中的一些非變質(zhì)礦物的Ar同位素體系可能既不完全封閉也未完全重啟,這時Ar-Ar法年齡就沒有地質(zhì)意義。有時,年齡數(shù)據(jù)正確,但年齡數(shù)據(jù)的地質(zhì)解釋不正確。例如,構(gòu)造帶(例如韌性剪切帶)中新生礦物的Ar-Ar法年齡代表的是構(gòu)造帶活動的時代,而不是/原巖0(例如巖體)的形成時代。4.6 對Ar-Ar法的總體評價

Ar-Ar同位素地質(zhì)測年方法雖然發(fā)展歷史不長,但目前已經(jīng)成為同位素地質(zhì)年代學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;富云蓮,1993;王松山等,2001;王非等,2006;陳文等,2005,2007;李文昌等,2009;李建康等,2009;潘小菲等;2009;邱華寧等,2009;王勇生等,2009;Zhu,2010)。該方法具有以下特點:①測量的時間域較寬。最老可到3800Ma(月巖年齡,Schaefferetal.,1977),最年輕可測到千年級(意大利維蘇威火山噴發(fā)年齡,Renneetal.,1997);②測量對象廣泛。原則上,所有的含鉀礦物、巖石都可以用作Ar-Ar法同位素測年,甚至含有微量鉀鹽包裹體的非鉀礦物如石英、閃鋅礦等也有成功測定出Ar-Ar年齡的報道;③獨特的分步加熱技術(shù)和內(nèi)部組分的Ar同位素相關(guān)圖處理技術(shù)不僅可,歷的多期地質(zhì)演化信息;④和激光技術(shù)配套可以直接在巖石光片上尋找待測礦物進行微區(qū)(幾十微米)幾百微米)Ar-Ar測年,從而能夠獲得變質(zhì)巖P-T-t軌跡研究中最精確的時間信息;⑤應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,幾乎所有的地質(zhì)學分支學科中都有應(yīng)用,各國科技工作者利用此方法解決了大量的有意義的地質(zhì)問題,它們包括了局部的、區(qū)域的、甚至全球性的許多重要地質(zhì)事件的時代。隨著超高真空技術(shù)的引入及低本底高靈敏度靜態(tài)質(zhì)譜技術(shù)的應(yīng)用,該方法的應(yīng)用范圍也從較老的地質(zhì)體向新生代,特別是第四紀樣品進軍,并為地球動力學研究、古地磁倒轉(zhuǎn)、第四紀地質(zhì)和古人類學研究等提供了令人信服的證據(jù);⑥是礦床年代學研究的最主要的技術(shù)手段;⑦是同位素熱年代學研究的支柱技術(shù)。由于Ar-Ar法測年礦物廣泛,這些礦物的封閉溫度差別很大,從600~140e,跨越了約15km的正常地溫梯度范圍,因此,不論是用礦物對法還是用年齡高程法研究地質(zhì)體的抬升-剝露歷史,Ar-Ar法都是不可替代的工具。

Ar-Ar法測年也有其局限性。Ar-Ar同位素地質(zhì)測年方法的局限性首先是分析技術(shù)比較復(fù)雜導致其成本高、分析周期長。其次是它要求待分析樣品先在核反應(yīng)堆中接收快中子照射,需要用年齡已知的標準樣品同期接受照射以確定年齡計算參數(shù)J值,因此,J值測定的準確性直接影響樣品年齡測定的準確性。在K轉(zhuǎn)變成Ar的核反應(yīng)過程中,由于快中子打擊的動力作用,所產(chǎn)生的39Ar會產(chǎn)生位移,如果樣品顆粒太小(10Lm以下),39Ar就會沖出顆粒邊界而丟失。因此,對極細粒的粘土礦物用Ar-Ar法測定出的年齡結(jié)果就可能與樣品的實際年齡有顯著差別(通常是偏高)。對于古元古代和太古宙古老變質(zhì)巖樣品,由于可能存在K和Ar的自然擴散作用或后期變質(zhì)、變形等多因素的擾動作用,用Ar-Ar法很難測出早期的變質(zhì)事件年齡。

目前國內(nèi)開展Ar-Ar測年研究和實驗的單位主要有中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學院廣州地球化學研究所、中國地震局地質(zhì)研究所、北京大學、中國地質(zhì)大學(北京)和中石油勘探研究院等。

39

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5 Rb-Sr法同位素定年

5.1 方法簡介

Rb-Sr法測年應(yīng)用的是87Rb放射出的B-粒子,87

1930

87

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位素Rb被確定;同年,Coldschmidt建議利用富Rb礦物定年;1943年,Hahn等獲得了第一個由銫榴石測定的Rb-Sr年齡。上世紀60年代以后,隨著同位素稀釋法的引入,固體同位素質(zhì)譜計靈敏度、精確度的改進及等時線概念的提出,該方法才被廣泛應(yīng)用。如今,Rb-Sr同位素計時體系仍然是同位素地質(zhì)年齡測定的重要方法之一。

Rb是堿金屬元素,在自然界由2個同位素組成,Rb和Rb,其豐度分別為2718346%和

87

7211654%。Rb具有放射性,它通過放射出B-粒子衰變?yōu)榉�(wěn)定的87Sr。Sr是堿土金屬元素,有4個天然同位素,

88

87

85

異,Rb/Sr比值有足夠的差別。

5.2 適合Rb-Sr年代學測定的對象和Rb-Sr等時

線構(gòu)成要素

由于Rb與K、Sr與Ca具有地球化學一致性,人們在選擇Rb-Sr法測定的對象時往往尋找含K的礦物,因此一般適用Ar-Ar法測定的對象也適用于Rb-Sr年齡測定。

(1)云母類礦物。如果沒有受過后期變動,火成巖中的黑云母和白云母對Rb、Sr有較好的保存性,因此經(jīng)常被用于Rb-Sr同位素年齡測定。鋰云母一般都具有合適的Rb/Sr比值,因此也是年齡測定很好的對象。如果巖體受過后期變動,那么黑云母比白云母更容易受到影響,更易發(fā)生Rb、Sr的得失。

(2)長石類礦物(鉀長石、微斜長石、斜長石等)。這類礦物中放射成因87Sr的保存能力很好。但有時也會出現(xiàn)Rb/Sr比值異常,因此給年齡測定工作帶來困難。

(3)閃石和輝石類礦物。這類礦物中Rb/Sr比值較低,世界上得到這類礦物的年齡數(shù)據(jù)也很少,但可以直接從輝石中測定87Sr/86Sr的初始比值,作為研究巖石形成機理的示蹤劑。

(4)沉積巖中的自生礦物)))海綠石。海綠石中的Rb/Sr比值較適合作年齡分析,但要注意有時候會存在這樣的現(xiàn)象:海綠石的Rb-Sr年齡往往比可作比較的火成巖的云母Rb-Sr年齡偏低。

(5)全巖。全巖樣品是指某種巖石的整體(包括組成巖石的全部礦物在內(nèi))。例如要采集花崗巖的全巖樣品,一般取手標本大小的樣品,將其全部破碎、磨細,嚴格按照縮分原則縮分至分析用的重量。

構(gòu)成等時線的樣品可以是全巖,也可以是礦物。前者稱為全巖等時線,后者為礦物等時線或內(nèi)部等時線。在使用Rb-Sr等時線時需要注意以下事項:①一條好的等時線必須具有高度的線性關(guān)系。這表明它滿足條件:封閉演化,并且母、子體元素比值有大的變化。②對于一條好的等時線,巖石或礦物樣品的母、子體元素豐度可能具有火成巖配分特征。如果不是這樣,可能有無關(guān)樣品引入,或者母、子體元素受到后期過程的影響。③好的等時線上的樣品在地質(zhì)上相關(guān),這是其共成因和同時形成條件決定的。如:它們?nèi)∽酝换鸪蓭r、同一侵入體或同一構(gòu)造區(qū)有關(guān)巖石。如果不是,可以懷疑給出的年齡和初始值的正確性,或者可能是混合線。④好的等時Sr,

87

Sr,

86

Sr和85Sr,其豐度分別為

82156%,7102%,9186%和0156%。除87Sr有放射成因和非放射成因外,其余3個同位素都屬非放射成因同位素。Rb-Sr年齡計算公式:

87

=Sr

87

87

Sr

8687

87

i

+

87

t

(eK-1)Sr

86

(5)

式中,Sr/Sr和Rb/

86

Sr為樣品中現(xiàn)在的值,由

實驗測定;(Sr/Sr)i為樣品形成時或同位素均一化時的值(初始值);K為87Rb衰變常數(shù),等于1142@10

-11

a;t為樣品形成或Sr同位素均一化以來

-1

經(jīng)歷的時間。

對一組樣品,如果它們具有相同初始同位素組成,形成于同一時間,并自形成或同位素均一化時起到現(xiàn)在樣品中母、子體同位素保持封閉系統(tǒng),既不遷出,也不遷入,這時方程(5)將是一直線方程,在

87

Sr/Sr-Rb/Sr圖上形成一條直線,即等時線,

868786

由直線斜率可求出年齡t,即等時年齡值,截距為初始Sr同位素比值(87Sr/86Sr)i。

等時線法消除了年齡測定時未知的(87Sr/86Sr)i

比值的扣除,同時得到的年齡t和(Sr/Sr)i值,為巖石年齡和成因研究打下了基礎(chǔ)。作為地球物質(zhì)成因研究,Sr同位素是最為重要的參數(shù)之一。等時線法利用統(tǒng)計方法估價年齡的不確定性,揭示這個不確定性的地質(zhì)基礎(chǔ)及研究系統(tǒng)的多次擾動等方法,對復(fù)雜地質(zhì)作用來說,其結(jié)果比單個樣品置信度更高,更具代表性。

用于Rb-Sr等時線測年的樣品(全巖和礦物)需要滿足4個條件:①具有相同的初始Sr同位素比值(87Sr/86Sr)i,即地質(zhì)作用已使所研究的對象在Sr同位素組成上完全/均勻化0;②形成年齡相同,或在測年誤差范圍內(nèi)年齡相同;③形成后未受到后期地質(zhì)作用改造,同位素體系仍保持封閉。④用于等時年87

86

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