簡(jiǎn)析同位素測(cè)年法

徐學(xué)員　周富華　易慧能

摘要：同位素年代學(xué)研究是現(xiàn)代礦床學(xué)研究的熱點(diǎn)，本文僅簡(jiǎn)單地介紹了U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等幾種同位素測(cè)年方法，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。認(rèn)為要盡可能地采取不同的測(cè)定方法，以地質(zhì)為基礎(chǔ)，才能獲得有地質(zhì)意義的年齡數(shù)據(jù)，做出有科學(xué)意義的地質(zhì)解釋。

關(guān)鍵詞：同位素測(cè)年；U—Pb法；Rb—Sr法；Sm—Nd法；K—Ar法；Re—Os法

1. 前言

1896年，貝可勒爾（A.H.Becquerel）發(fā)現(xiàn)鈾的鹽類能使封閉的照相底片感光。隨后證明了鈾可以粒子和電磁輻射的形式發(fā)出能量，即能自然衰變。居里夫人把這種輻射現(xiàn)象稱為放射性。建立在放射性同位素衰變規(guī)律基礎(chǔ)上的，用以測(cè)定不同地質(zhì)體和地質(zhì)事件年齡的計(jì)時(shí)方法即為同位素測(cè)年法。目前主要應(yīng)有的同位素測(cè)年方法有U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等幾種方法（溫春齊等，2009）。

2. 同位素測(cè)年法

2.1 基本原理

假設(shè)巖石或礦物形成時(shí)，含有少許的放射性母體同位素。伴隨時(shí)間流逝，該母體同位素自然衰變，含量逐漸減少，由此形成的子體同位素則逐漸增多。通過測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確測(cè)定巖石或礦物中放射性母體以及衰變形成的穩(wěn)定子體同位素的含量，通過公式（1）即可計(jì)算出所測(cè)巖石或礦物的同位素年齡。它一般代表了經(jīng)過某一地質(zhì)作用形成的巖石或礦物中所測(cè)同位素保持封閉體系以來(lái)的時(shí)間。

t=1/λ×ln（1+D*/N） （1）

其中D*=N0—N=N0（1—e—λt）=N（eλt—1）

λ為衰變常數(shù)、N0為t=0時(shí)放射性母體原子數(shù)、N為t時(shí)放射性原子數(shù)

2.2 基本條件

應(yīng)用同位素測(cè)年法需滿足一定的條件，主要有：

（1）巖石或礦物自形成后應(yīng)保持封閉體系，無(wú)母、子體同位素的加入或丟失。

（2）選定用來(lái)測(cè)年的放射性母體同位素應(yīng)有適宜的半衰期，其與所測(cè)地質(zhì)體或地質(zhì)事件的年齡差距不大，且半衰期和衰變常數(shù)目前已知或能精確測(cè)定。

（3）準(zhǔn)確了解放射性母體同位素的相對(duì)豐度，且目前已有精確測(cè)定巖石或礦物中母體及子體同位素含量的方法。

（4）精確測(cè)定或能有效校正巖石或礦物形成時(shí)就已經(jīng)存在的子體同位素的初始含量。

上述四個(gè)方面，既是作為同位素測(cè)年法的基本假設(shè)前提，也是同位素測(cè)年法的限制條件。根據(jù)不同的地質(zhì)背景和研究目的，選擇恰當(dāng)?shù)臏y(cè)年方法，是取得可靠地質(zhì)年齡信息的重要前提。

2.3 U-Pb法

U-Pb法是最早用來(lái)測(cè)定地質(zhì)年齡的放射性同位素測(cè)年方法之一，也是目前應(yīng)用范圍最廣的同位素測(cè)年方法。

測(cè)試樣品主要是選擇晶質(zhì)鈾礦、瀝青鈾礦、鋯石、榍石、磷灰石、金紅石、獨(dú)居石等含U、Th含量高的副礦物，常用礦物為鋯石。采樣時(shí)必須選擇新鮮露頭，避免在受構(gòu)造或后期巖漿活動(dòng)影響的地段取樣；必須仔細(xì)分離單礦物，避免外來(lái)樣品的混染，剔除掉含有包裹體雜質(zhì)的不純鋯石或其他副礦物，測(cè)定時(shí)只留下純凈的鋯石等副礦物。

目前主要有高靈敏度高分辨率離子探針質(zhì)譜計(jì)法（SHRIMP）、鋯石激光剝蝕法（LA-ICP-MS）、鋯石TIMS稀釋法、鋯石TIMS蒸發(fā)法等（陳文等，2011）。

一些鋯石的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，有的鋯石內(nèi)部的核具環(huán)帶，而外部則是透明的、無(wú)環(huán)帶的變質(zhì)重結(jié)晶邊。由于鋯石化學(xué)成分和同位素的不均一性，表面的鈾含量可以成百倍地高于中心部位，從而在一個(gè)晶粒的不同部位，U和Pb含量不同，形成單顆粒鋯石的年齡梯度。這些問題給傳統(tǒng)的鋯石U—Pb法定年帶來(lái)困難，使得高靈敏度高分辨率離子探針質(zhì)譜計(jì)法（SHRIMP）成為公認(rèn)最好的U—Pb年代學(xué)方法（董樹文等，2005）。

SHRIMP具有高分辨率、高靈敏度、高精度、微區(qū)原位等特點(diǎn)，最大技術(shù)優(yōu)勢(shì)是不需化學(xué)處理可對(duì)一個(gè)礦物（鋯石、獨(dú)居石、榍石、磷釔礦和磷灰石等）的不同部位直接定年?？梢詼y(cè)定<2Ma的非常年輕的鋯石年齡。

SHRIMP目前對(duì)于一些前寒武紀(jì)的鋯石獲得的207Pb/206Pb年齡往往具有較小的誤差，而206Pb/238U年齡的誤差相對(duì)較大，這與LAM-ICP-MS測(cè)定結(jié)果正好相反，所以它一般多用207Pb/206Pb年齡。另外，對(duì)于高U鋯石區(qū)，SHRIMP有時(shí)往往會(huì)得出較高的206Pb/238U年齡。

2.4 Rb—Sr法

87Rb是放射性同位素，它通過發(fā)射一個(gè)β-粒子而衰變成87Sr，衰變公式為：87Rb→87Sr+β-++Q，其半衰期為4.88×1010a，可用它測(cè)定古生代和前寒武紀(jì)的地質(zhì)事件。

Rb+離子半徑與K+離子半徑相近，所以Rb+能夠在所有含K礦物中置換K+。Rb是一種分散元素，它不形成獨(dú)立的礦物。測(cè)試樣品有云母、長(zhǎng)石、電氣石、角閃石、磷灰石、方解石和石英，閃鋅礦、黃鐵礦等硫化物及全巖（溫春齊等，2009）。

由于87Rb衰變形成87Sr，故Sr同位素豐度是變化的，因此含Rb礦物或巖石中Sr同位素的精確組成取決于該礦物或巖石的年齡及其n（Rb）/n（Sr）值。

t=×ln（1+） （2）

只有當(dāng)所測(cè)定礦物對(duì)于Rb、Sr保持封閉，以及給定的值準(zhǔn)確時(shí)，由公式（2）求得的t值才代表礦物形成以來(lái)所經(jīng)歷的時(shí)間（即年齡）。由于這種方法測(cè)定年齡時(shí)，必須假定而不是測(cè)定值，因此又稱為模式年齡。對(duì)黑云母、白云母和鉀長(zhǎng)石等n（Rb）/n（Sr）值較低的礦物，由于值選擇的偏差，常常產(chǎn)生不一致的模式年齡。

另外黑云母和白云母在變質(zhì)時(shí)可能丟失Sr，此時(shí)Rb—Sr測(cè)定的年齡值是巖石或礦物最后受熱的年齡。此外在中等熱度條件下，Sr往往并不從巖石里遷出，此時(shí)Rb—Sr年齡一般可代表巖漿巖最初結(jié)晶的年齡，或者變質(zhì)巖第一次強(qiáng)烈變質(zhì)的年齡。如果測(cè)試樣品曾受過交代蝕變作用或兩次強(qiáng)烈變質(zhì)作用，則Rb—Sr測(cè)定年齡可能是最后的而不是最初的地質(zhì)事件。

Rb-Sr法存在的問題：①要求樣品同源、相近的同位素初始值和形成后處于封閉體系，且樣品量較大；②很難科學(xué)判定是否應(yīng)將Rb-Sr等時(shí)線上的樣品剔除或保留；③測(cè)定包裹體年齡時(shí)，很難排除次生包裹體的干擾，并且原生包裹體可能本身就存在不同時(shí)代；這些因素決定了在實(shí)際工作中很難得到科學(xué)的、合理的等時(shí)線年齡（叢寶華等，2011）。

2.5 Sm-Nd法

Sm和Nd都是輕稀土元素（LREE），存在于許多造巖礦物中，如硅酸鹽、磷酸鹽和碳酸鹽等。Sm和Nd的化學(xué)性質(zhì)很相似，在地質(zhì)過程中Sm和Nd不會(huì)發(fā)生明顯的分離。地球上巖石和礦物的n（Sm）/n（Nd）值僅變化于0.1～0.5之間。一般而言，巖漿巖分異程度增強(qiáng)，其Sm和Nd含量升高，但n（Sm）/n（Nd）值有所下降。

Sm-Nd之間有兩對(duì)母—子體同位素，即147Sm衰變?yōu)?43Nd，以及146Sm衰變?yōu)?42Nd（半衰期1.06×1011a）。146Sm的半衰期較短（1.0×108a），現(xiàn)已衰變完了。

Sm-Nd等時(shí)線年齡測(cè)年通常是通過分析單礦物或同源同時(shí)形成的一套n（Sm）/n（Nd）值變化盡可能大的巖石來(lái)實(shí)現(xiàn)，等時(shí)線條件與Rb-Sr法相同。

Sm-Nd法適合于基性、超基性巖漿巖的定年，而Rb-Sr更適合于酸性、中酸性巖漿巖的定年。更重要的是REE在變質(zhì)過程、熱液作用和化學(xué)風(fēng)化作用中比Rb、Sr要穩(wěn)定得多，因而對(duì)那些已發(fā)生Rb、Sr遷移的巖石仍能用Sm-Nd法進(jìn)行定年。所以Sm-Nd法可用來(lái)測(cè)定那些因n（Rb）/n（Sr）值低或?qū)b-Sr不再封閉的巖石的年齡。

Sm-Nd法存在的問題：①等時(shí)線年齡分辨率較小，一般大于20Ma，因此不能測(cè)定年輕樣品；②在熱液活動(dòng)過程中Sm和Nd也常處于開放體系，造成各種Sm、Nd參數(shù)失常，以致無(wú)法獲得合理的等時(shí)線年齡；③等時(shí)線理論上要求樣品同源、具相近的同位素初始值以及形成后處于封閉體系，這些因素決定了在實(shí)際工作中很難得到科學(xué)的、合理的等時(shí)線年齡。

2.6 K-Ar法

K-Ar法是40K通過K層電子俘獲轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的40Ar從而進(jìn)行年齡測(cè)定的方法。合適的測(cè)試對(duì)象主要是絹云母、白云母、綠泥石等含K的蝕變礦物或石英等脈石礦物以及石英中的流體包裹體。利用K-Ar法可以對(duì)晚新生代以來(lái)的年輕樣品進(jìn)行測(cè)定，此外還可以確定成巖時(shí)代和成礦年齡。

只有下述條件滿足時(shí)才是有意義的年齡值：①礦物中由40K衰變積累的40Ar在地質(zhì)歷史上沒有因擴(kuò)散等而丟失，并且礦物結(jié)晶后不久即對(duì)Ar封閉，也就是礦物結(jié)晶后冷卻很快；②在礦物形成和以后的變質(zhì)事件中沒有外來(lái)的40Ar（通常稱為過剩Ar或繼承Ar）加入；③礦物也必須對(duì)K保持封閉，K的同位素變化只有由40K衰變引起，而沒有同位素分餾只有發(fā)生；④必須對(duì)測(cè)定過程中由于儀器內(nèi)部不可避免地存在的大氣40Ar進(jìn)行扣除校正。

由于Ar是惰性氣體，在礦物晶格中不與其他原子鍵合，因此Ar丟失是可能發(fā)生的。另一方面，一些含K礦物中發(fā)現(xiàn)存在過剩的放射成因40Ar，在K含量較低或者時(shí)代較新的礦物中，過剩40Ar的存在對(duì)K—Ar定年的影響最明顯。堇青石、輝石和電氣石經(jīng)常含有過剩40Ar，而角閃石、長(zhǎng)石、金云母、黑云母和方鈉石中較少出現(xiàn)過剩40Ar。過剩40Ar也曾經(jīng)在金剛石中發(fā)現(xiàn)。一般而言，受Ar分壓高的區(qū)域變質(zhì)、偉晶巖和金伯利巖影響的礦物往往存在過剩40Ar。

K-Ar法的優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)定樣品分布廣泛，容易采集，單礦物分選簡(jiǎn)便；②用同一樣品與進(jìn)行Rb—Sr年齡定年相互對(duì)比，有利于年齡數(shù)據(jù)的正確理解；③Ar是氣體元素，質(zhì)譜計(jì)測(cè)定的靈敏度高，因而K—Ar法能測(cè)定第四紀(jì)樣品的年齡。

K-Ar法的不足：①K和Ar采用不同方法和不同儀器分別測(cè)定，可能產(chǎn)生不一樣的系統(tǒng)誤差；②樣品一次性全熔，無(wú)法對(duì)單個(gè)樣品作等時(shí)線，因此無(wú)法判斷初始Ar組成；③并不是所有含鉀礦物都能保存Ar，樣品中丟失Ar的現(xiàn)象比較普遍，使年齡偏低；④沉積巖中適合K-Ar法測(cè)定的對(duì)象少，常常只有海綠石可能獲得較可靠的年齡；⑤衰變常數(shù)有多種，按其計(jì)算的年齡之間差異較大。

40Ar-39Ar法采用中子活化技術(shù)使待測(cè)樣品和已知年齡的標(biāo)準(zhǔn)樣品中的39K轉(zhuǎn)化為39Ar，采用質(zhì)譜計(jì)直接測(cè)定其中的Ar同位素比值。原則上，含有K元素的巖石礦物都可以用于40Ar-39Ar法年齡測(cè)定。

40Ar-39Ar法的優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)定對(duì)象廣泛且樣品量較少；②分階段加熱法取得的年齡譜往往能反映該礦物的熱演化史，并且根據(jù)等時(shí)線獲得的初始值可判斷樣品中是否含有過量Ar。

40Ar-39Ar法的不足：①含鉀礦物粒徑對(duì)40Ar/39Ar法有一定的制約。如果測(cè)試樣品中有效保存著其中的Ar，并存在過量Ar，則其年齡譜就會(huì)變得比較復(fù)雜而難以解釋；②測(cè)定石英流體包裹體40Ar/39Ar年齡時(shí)存在著次生包裹體的干擾問題；③在中子照射過程中，某些樣品（如伊利石）會(huì)存在39Ar丟失；④通過測(cè)定同一樣品中白云母的40Ar/39Ar年齡和Rb—Sr年齡，高壓地區(qū)礦物的40Ar/39Ar年齡可能存在不可靠性（叢寶華等，2011）。

2.7 Re-Os法

Re-Os測(cè)年法是基于放射性的187Re通過β衰變成為187Os來(lái)計(jì)算地質(zhì)年齡的，是近二十余年來(lái)新興的一種同位素測(cè)年方法。

輝鉬礦具有非常高的Re（達(dá)μg/g級(jí)）而幾乎不含普通Os，測(cè)試礦物以輝鉬礦為首選，其次為黃鐵礦、毒砂、黃銅礦、輝銅礦、磁黃鐵礦及鎳黃鐵礦等硫化物和磁鐵礦、鈦鐵礦等氧化物，全巖樣品主要是有機(jī)質(zhì)泥巖、黑色頁(yè)巖、輝長(zhǎng)巖、橄欖巖、玄武巖和礦石等。樣品要求同源、同時(shí)、體系保持封閉等。

野外采樣時(shí)應(yīng)根據(jù)接觸關(guān)系，在野外劃分出成礦期次，采集同一成礦階段或者同一成礦期次的硫化物礦石（礦化）樣品，以保證樣品的同源性和同時(shí)性。采集新鮮樣品，避免后期蝕變及外部污染，盡量不要選擇有后期脈穿插的樣品。用于Re-Os同位素定年的每件樣品一定要單獨(dú)分裝，以避免交叉污染（黃小文等，2016）。

目前Re-Os法是能夠直接測(cè)定金屬礦床礦化年齡的唯一成熟方法。但是含有輝鉬礦的礦床類型非常有限，該方法的應(yīng)用受到了一定限制，在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)方面還存在著如下不足：①雖然輝鉬礦的Re-Os法測(cè)年技術(shù)成熟，應(yīng)用成果也很多，但近年來(lái)也發(fā)現(xiàn)有些金屬礦床中的輝鉬礦Re-Os年齡高于其賦礦圍巖的年齡，其原因仍不清楚；②黃鐵礦等多數(shù)硫化物礦物含Re量明顯偏低，并含有一定程度的普通Os，一般實(shí)驗(yàn)室難以達(dá)到對(duì)樣品化學(xué)制備過程中低本底的高要求，并且普通Os也難以準(zhǔn)確扣除；③后期的熱液活動(dòng)有時(shí)也可以使Os同位素發(fā)生變化，因此，金屬硫化物的Re-Os同位素體系封閉溫度及其影響因素是一個(gè)急需解決的問題（陳文等，2011）。另外多數(shù)研究只關(guān)注年齡及其代表的地質(zhì)意義，對(duì)不同成因硫化物的Re-Os同位素體系及其定年基本條件理解不夠。

隨著實(shí)驗(yàn)儀器精度的不斷提高和實(shí)驗(yàn)室條件的不斷改善，對(duì)黃鐵礦、黃銅礦、毒砂等普通硫化物直接進(jìn)行Re-Os法定年和成礦物質(zhì)來(lái)源示蹤一定擁有很廣闊的應(yīng)用前景（張?zhí)K坤等，2012）。

3. 結(jié)語(yǔ)

一個(gè)完整的同位素測(cè)年過程至少包括5個(gè)步驟：①提出問題；②選定測(cè)年方法；③獲取測(cè)試樣品；④實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析測(cè)試同位素年齡；⑤解釋數(shù)據(jù)。其中任何一個(gè)步驟出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致同位素測(cè)年結(jié)果出現(xiàn)偏差?？梢钥闯?，同位素測(cè)年除了獲得實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的年齡數(shù)據(jù)，還必須與地質(zhì)相結(jié)合，才能獲得有地質(zhì)意義的年齡數(shù)據(jù)并科學(xué)解釋這個(gè)有地質(zhì)意義的年齡數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)而言之，同位素測(cè)年既不是單純的同位素年齡測(cè)定的技術(shù)問題，也不是單純的地質(zhì)問題，而是兩者的有機(jī)結(jié)合。要盡可能采取不同的測(cè)定方法，得出的結(jié)果如果在測(cè)試誤差范圍內(nèi)相一致，這樣才有可能取得與地質(zhì)事實(shí)相吻合的同位素年齡（陳文等，2011；叢寶華等，2011）。

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