40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)的發(fā)展及其在青藏高原生長演化研究中的應(yīng)用

來慶洲 王厚起 張 波

(1.中國科學院青藏高原研究所，青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境全國重點實驗室，北京 100101；2.北京大學 地球與空間科學學院，北京 100871)

40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)全稱為40Ar/39Ar快中子活化年齡測定方法(40Ar/39Ar法定年)，于20世紀60年代中期以K/Ar為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種用于測定各種含鉀礦物和巖石同位素年齡的新技術(shù)，這一技術(shù)給K/Ar技術(shù)方法樹上了一塊新的歷史性豐碑。40Ar/39Ar定年技術(shù)的建立，給K/Ar帶來了一種新的活力，使其迅速得到新生。我國最早的40Ar/39Ar法實驗室是我國科學家1982年分別在中國科學院地質(zhì)研究所(北京)和中國科學院地球化學研究所(貴陽)建立的。在我國，截止到目前，中國科學院、高校、地調(diào)局、地震局及核工業(yè)地質(zhì)研究院等科研教學單位建立了10余個40Ar/39Ar年代學實驗室，從國外引進了高性能稀有氣體同位素質(zhì)譜儀20余套。這些40Ar/39Ar同位素年代學實驗室的建立既對推動我國40Ar/39Ar同位素年代學研究發(fā)展提供十分重要的技術(shù)保障，同時也將為我國的地球科學基礎(chǔ)研究提供十分有力的同位素年代學技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)保障。

1 40Ar/39Ar定年技術(shù)的提出

K/Ar法是一種相對傳統(tǒng)的同位素定年方法，使用了兩個發(fā)現(xiàn)時間相距甚久的元素K和Ar。元素K的40K同位素可以自發(fā)地衰變成40Ar這一現(xiàn)象被Aldrich和Nier在1948年首次提出[1]，由此K/Ar法測年理論被建立起來了，放射性母體40K衰變?yōu)榉€(wěn)定子體40Ar(用40Ar*代表放射性成因氬)是這種定年方法的基本原理，礦物樣品中40K和40Ar*的絕對含量可以通過這種方法測量出來，繼而計算出樣品的年齡。之后有多個實驗室先后開展了應(yīng)用此衰變體系來進行K/Ar定年的研究工作，并因此得以快速地發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于多種巖石礦物的年齡確定。但是，過剩Ar和Ar丟失現(xiàn)象的相繼發(fā)現(xiàn)，使K/Ar法陷入了一場危機。20世紀60年代初，40Ar/39Ar定年法的基本原理被第一次提出來[2]，之后一些科學家通過研究認識到，利用中子反應(yīng)可以使39K衰變成為39Ar[3-4]，由此提出了一種全新的K/Ar定年方法，這一新方法能夠提供更有意義的定年手段，這一新變體的K/Ar法被稱為40Ar/39Ar定年方法。因此，40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)是以K/Ar同位素定年方法為理論基礎(chǔ)而發(fā)展建立起來的。MERRIHUE等[4]用40Ar/39Ar法分析了第一批隕石數(shù)據(jù)，由此建立了40Ar/39Ar定年法的技術(shù)基石。這一結(jié)果是一里程碑，其中許多概念和數(shù)據(jù)處理方式目前仍可被廣泛應(yīng)用于40Ar/39Ar地質(zhì)年代學研究。MCDOUGALL等[5]以專著形式對40Ar/39Ar定年技術(shù)進行了系統(tǒng)總結(jié)，建立了40Ar/39Ar定年技術(shù)在同位素地質(zhì)年代學領(lǐng)域發(fā)展的根本基礎(chǔ)。通過40Ar/39Ar法定年可以精確測定巖石礦物樣品的年齡，在地區(qū)、區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)重要地質(zhì)問題的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。

2 40Ar/39Ar法定年技術(shù)的基本原理

自然界中的同位素根據(jù)是否具有放射性可分為放射性同位素和穩(wěn)定同位素。放射性同位素是指某些同位素的原子核可以自發(fā)地以一定的周期發(fā)生衰變，使自身的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)發(fā)生改變而變成另一種同位素的過程。放射性同位素衰變只是時間的函數(shù)，其不受任何外界條件的影響，并以其固有的速度進行，放射性同位素測年方法便是基于這個理論發(fā)展而來的。

假設(shè)某種放射性同位素在一次地質(zhì)作用后以封閉狀態(tài)存在于巖石或者礦物中，那么隨著時間的推移，由該元素衰變產(chǎn)生的子體元素就會在封閉的系統(tǒng)中不斷積累，而該放射性元素的含量則逐漸減少。從放射性同位素體系封閉到現(xiàn)今的時間為t(a)，λ為母體衰變常數(shù)，P為放射性母體原子數(shù)，D為放射性成因子體原子數(shù)，其年齡計算公式為：

其中λ與半衰期T1/2具有如下關(guān)系：T1/2=ln2/λ，其中T1/2(a)是指放射性同位素原子衰變到原來的一半所需的時間。

40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)也是一種放射性同位素定年方法。Ar在礦物巖石中的含量和同位素組成是變化的，這是由于各種礦物的K含量不同、時代新老不同、由40K衰變產(chǎn)生的放射成因40Ar多少也不同，這正是K/Ar法(包括40Ar/39Ar法)的定年依據(jù)所在。自然界中K具有三種同位素：39K、40K、41K，而地球巖石礦物樣品中40K/39K基本是恒定值。40K為放射性同位素，其他兩種同位素均為穩(wěn)定同位素。40K具有雙分支衰變，經(jīng)過β衰變產(chǎn)生40Ca(衰變常數(shù)記為λβ)，同時又經(jīng)K層電子俘獲得產(chǎn)生40Ar(衰變常數(shù)記為λAr)，將40K總的衰變常數(shù)記為λ，即λ=λAr+λβ。在K/Ar法中K是通過火焰光度法、原子吸收光譜法、同位素稀釋法或中子活化法來測定；40Ar通過同位素稀釋法來測定。這樣就可以計算出樣品的年齡t(a)，其測年公式為：

在K/Ar法中是用不同方法和儀器測量K和Ar，這樣就導致測量誤差大而測年精度低。為了降低測量誤差提高測年精度，更加便于計算年齡，MITCHELL[6]建議采用將一個已知年齡樣品(標準樣品)同未知年齡樣品一起進行快中子活化，就可以得到一個輻照參數(shù)J，樣品中39K經(jīng)過快中子照射變?yōu)?9Ar。由此便能建立起40Ar/39Ar法的年齡計算公式：

由此可知，K/Ar法測定K的總量，40Ar/39Ar法通過測定39Ar來確定39K，再根據(jù)K的同位素組成來計算出40K，39Ar就代替了母體中的40K。二者的橋梁是樣品在反應(yīng)堆經(jīng)快中子輻照后，39K通過核反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為39Ar。對于應(yīng)用40Ar/39Ar同位素年代法測年的樣品來說，只要知道樣品的同位素比值，即可以獲得年齡。

3 40Ar/39Ar定年技術(shù)的優(yōu)勢

40Ar/39Ar定年法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，因其測年范圍廣，適用礦物種類豐富，精度高而日益受到關(guān)注，其優(yōu)勢總結(jié)見表1。

表1 40Ar/39Ar定年法與其他定年方法對比的優(yōu)勢匯總

4 40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)測試過程

目前，對樣品采用分步加熱(即階段加熱)是40Ar/39Ar法定年最常用的方法。樣品年齡譜、等時線年齡和反等時線年齡等信息可以通過該方法得出。

進行40Ar/39Ar年代學測試的樣品要先經(jīng)過前處理之后再送去核反應(yīng)堆進行快中子照射，然后才能進行測試分析。樣品的前處理過程為：經(jīng)過濃度為5%的稀硝酸→超純水→丙酮的次序用超聲機進行清洗，直到清洗液變清為止，之后樣品在70 ℃恒溫下烘干，保證樣品干燥潔凈。待測年樣品與標準樣品以及用于K、Ca誘發(fā)同位素校正的K2SO4和CaF2分別用鋁箔包成直徑約5 mm，厚約1～2 mm的小圓片(雙面標號)，按照一定順序垂直疊放于內(nèi)徑為7 mm的石英玻璃管中，封口。為防止慢中子干擾，石英管用0.5 mm厚鎘片包裹(圖1)。

圖1 40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)樣品前處理流程Figure 1 Sample pretreatment process for 40Ar/39Ar dating.

經(jīng)過照射后的樣品在實驗室裝入樣品樹(又稱為圣誕樹)中，用機器泵、分子泵及離子泵抽到理想的真空條件后，在石墨加熱爐中統(tǒng)一使用650 ℃對樣品表面進行去氣10 min，然后分別對其進行設(shè)定的溫度加熱10 min，保持10 min，釋放出的氣體經(jīng)Getter泵純化后進入惰性氣體質(zhì)譜儀中進行Ar同位素分析，這樣就完成了一個溫度階段的測量工作，每個樣品根據(jù)樣品氣量情況一般分8～14個溫度階段。經(jīng)過質(zhì)譜分析得到的數(shù)據(jù)采用國際通用ArArCALC軟件進行年齡計算[10]。

5 40Ar/39Ar定年技術(shù)在青藏高原生長演化研究中的應(yīng)用

40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)是重要的同位素測年方法之一，在流體包裹體定年，構(gòu)造年代學等很多方面得到了廣泛的應(yīng)用[11-12]?，F(xiàn)僅就該方法在青藏高原生長演化研究中的諸多應(yīng)用進行介紹。

5.1 高原的大陸聚合過程

青藏高原是由不同地塊在顯生宙拼貼形成，這些外來地塊大多來自南方岡瓦納大陸，陸續(xù)向北漂移，拼貼到歐亞大陸南緣，占據(jù)了原來特提斯洋的位置，實現(xiàn)了青藏高原地區(qū)的海陸轉(zhuǎn)換和大陸聚合。各地塊之間相互焊接的位置形成了碰撞造山帶，通過對造山帶中新生云母等礦物的40Ar/39Ar測年，能夠準確重建青藏高原大陸聚合過程的地質(zhì)歷史框架[13-14]。

5.2 印度-歐亞大陸碰撞過程和造山作用

印度-歐亞大陸碰撞是青藏高原形成的最主要動力過程，碰撞沿長達2 000 km的縫合帶發(fā)生。對于碰撞帶中同碰撞變形巖石中云母等礦物40Ar/39Ar測年，能夠揭示碰撞帶不同位置的初始碰撞年齡，進而刻畫整個碰撞帶穿時性的碰撞歷史[15-16]。

5.3 大陸俯沖過程中的深部物質(zhì)折返

印度-歐亞大陸初始碰撞之后，印度大陸俯沖到歐亞大陸之下，是至今仍在進行的“活”的大陸俯沖，是板塊構(gòu)造理論新的突破方向。大陸俯沖過程伴隨深部物質(zhì)折返，比如超高壓-高壓變質(zhì)巖等。通過對折返巖石中角閃石、云母等礦物40Ar/39Ar測年，可以框定折返物質(zhì)經(jīng)過中溫(350～500 ℃)地溫場的時間窗口，結(jié)合其經(jīng)過高溫和低溫地溫場的時間，能夠描繪深部物質(zhì)從深部到地表的完整歷程和速度變化，進而約束俯沖過程的動力學機制[17-18]。

5.4 青藏高原巖石圈演化

高原巖石圈在大陸聚合和大陸俯沖過程中，經(jīng)歷了交代、拆沉、板片斷離、軟流圈上涌等復(fù)雜的演化過程，巖石圈演化過程形成的火山巖快速噴發(fā)出地表，記錄了巖石圈演化的豐富信息。通過對火山巖基質(zhì)或角閃石、長石等斑晶礦物進行40Ar/39Ar測年，可以精確限定巖石圈演化的關(guān)鍵時間節(jié)點[19-20]。

5.5 大陸巖石圈側(cè)向擠出

印度向歐亞大陸內(nèi)部的強烈擠入，導致歐亞巖石圈物質(zhì)向東南亞方向的大量側(cè)向擠出，重塑了大陸地表地貌格局，形成了“地球褶皺”，并驅(qū)動南海、安達曼海的打開。側(cè)向擠出主要沿大型走滑斷裂發(fā)生，斷裂活動的同構(gòu)造角閃石、云母等是常見的礦物類型，而鋯石等高溫礦物則較為少見。因此，礦物40Ar/39Ar測年是限定大型走滑斷裂和大陸巖石圈擠出活動時間最為常用的測年手段[21-22]。

5.6 高原隆升和地表剝蝕

青藏高原的大規(guī)模隆升，塑造了現(xiàn)今亞洲季風氣候系統(tǒng)和環(huán)境格局，是亞洲環(huán)境變化的驅(qū)動器。隆升伴隨地殼物質(zhì)的巨量剝蝕，被剝蝕物質(zhì)被河流系統(tǒng)搬運到下游形成大型三角洲和海底扇，實現(xiàn)了地球物質(zhì)的空間再分配。云母、鉀長石等礦物40Ar/39Ar測年能夠精確約束地殼快速隆升的時間和幅度，能夠反演高原主要山脈的隆升-剝蝕和大型盆地沉積歷史，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[23-24]。

6 我國 40Ar/39Ar定年技術(shù)面臨的問題及發(fā)展方向

6.1 40Ar/39Ar定年樣品的輻照問題

要對樣品進行40Ar/39Ar定年，首先就要將樣品送往反應(yīng)堆進行中子活化，可遺憾的事實是，樣品輻照資源緊張到現(xiàn)在為止仍然是一直困擾我國40Ar/39Ar實驗室的一個棘手問題，這樣一來樣品輻照長周期性問題更加延長了40Ar/39Ar測試分析時間，從而也制約了40Ar/39Ar定年技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。為此，尋找新的核反應(yīng)堆并對其輻照條件進行系統(tǒng)探索和研究，滿足對樣品進行40Ar/39Ar定年的輻照要求，這是保證國內(nèi)40Ar/39Ar實驗室有序運行下去急需解決的問題。一些40Ar/39Ar實驗與國內(nèi)具有核反應(yīng)堆的機構(gòu)合作，已經(jīng)探索出了適合進行40Ar/39Ar定年的輻照條件[25]，這有效地縮短了樣品的輻照周期，將有利于40Ar/39Ar定年技術(shù)在國內(nèi)地球科學領(lǐng)域獲得更有效廣泛深入的應(yīng)用。

6.2 加強40Ar/39Ar定年標準樣品的研制及與國際上40Ar/39Ar實驗室的合作

40Ar/39Ar法定年是要求將待定年樣品與已知年齡的標準樣品一起送往反應(yīng)堆中進行快中子照射，根據(jù)標準樣品的年齡計算出輻照參數(shù)J，然后計算得出待測年樣品的年齡，所以標準樣品在測年過程中占有舉足輕重的作用。我國的標準樣品與國際上的標準物質(zhì)相比只有很少幾種[26-28]，雖然近些年來，我國的40Ar/39Ar實驗室也在標準物質(zhì)研制方面取得了一些成果，研制出了一些適用于40Ar/39Ar定年的標準樣品[29-30]，但是，目前困擾40Ar/39Ar年代學發(fā)展的重要問題之一仍然是缺乏優(yōu)良的標準樣品[31]。地時-中國(EarthTime-CN)在2013年成立后，國內(nèi)外的40Ar/39Ar實驗室開展了技術(shù)交流，共同對我國研制出的標準樣品進行相互標定，這將有助于我國40Ar/39Ar實驗室在進一步提高對復(fù)雜地質(zhì)事件40Ar/39Ar定年的準確性和精確性上的突破[32]。

6.3 先進激光技術(shù)與稀有氣體質(zhì)譜儀配合進行微區(qū)分析

將惰性氣體質(zhì)譜儀與先進的激光器相配套使用，可以把40Ar/39Ar定年技術(shù)的研究領(lǐng)域由宏觀尺度推入了微觀尺度，這樣可以直接在巖石光薄片上尋找適合的礦物樣品(幾十至幾百微米)進行測年分析，從而將變質(zhì)巖的P-T-t軌跡反演出來。由此一來在研究多期次礦化活動、油藏規(guī)律等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。但是，40Ar/39Ar原位分析中使用紅外激光技術(shù)存在著一定程度上的技術(shù)弊端，即透明的礦物對其吸收率相對較差，激光無法對礦物進行有效的剝蝕，而且產(chǎn)生的熱能較高，分析過程進行中由于激光光線在礦物內(nèi)部反射、折射會導致出現(xiàn)光暈效應(yīng)，波及到周圍礦物，進而影響Ar同位素提取精確度。針對這一問題，紫外激光(UV)被引入使用，并有效得以避免之前的弊端[33]，使40Ar/39Ar同位素激光微區(qū)定年這一技術(shù)能夠成熟，成功地應(yīng)用于鉀長石、斜長石、石英等透明礦物定年上，極大程度上推動了40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)在地質(zhì)科學領(lǐng)域內(nèi)進一步廣泛應(yīng)用，也為Ar同位素擴散作用機理問題的進一步深入研究探索開辟出了新思路[34-36]。

6.4 提取純化系統(tǒng)的進一步優(yōu)化

稀有氣體質(zhì)譜儀分析的系統(tǒng)本底是稀有氣體同位素測試結(jié)果的重要評價參數(shù)，隨著質(zhì)譜技術(shù)的進步，為了進一步提高測試的精度和準確度，國內(nèi)多家實驗室已開始對40Ar/39Ar法氣體提取和純化系統(tǒng)進行備件改進和系統(tǒng)全自動化運行改造[37-39]。對樣品氣體的有效提取、提高萃取氣體的純化率及實驗流程的自動化運行是40Ar/39Ar年代學工作者的企盼。

7 結(jié)論和展望

40Ar/39Ar同位素定年技術(shù)在解決地學問題上有其特有的優(yōu)勢，被公認為是一種高精度的定年方法，這也是該技術(shù)能為國際地質(zhì)年代表提供“金釘子”般年齡制約的原因所在。同位素定年技術(shù)今后發(fā)展的趨勢必然是要追求更高的定年精度和更低的誤差，40Ar/39Ar年代學實驗室要進一步開展方法學研究，降低40K衰變常數(shù)的誤差，提高稀有氣體質(zhì)譜儀的靈敏度，并與其他定年技術(shù)之間進行互相檢驗和印證，拓展該項技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，才能為科學研究的發(fā)展提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保障和可靠的技術(shù)支撐。