地質(zhì)年齡測(cè)定

1、地質(zhì)年齡測(cè)定SMOW 標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水（Standard Mean Ocean Water標(biāo)準(zhǔn)。PDB標(biāo)準(zhǔn):PDB（Pee Dee Belemnite）是采自美國(guó)卡羅萊納州白堊系皮狄組中美洲擬箭石化 石，碳酸鹽巖的碳氧同位素組成通常使用PDB標(biāo)準(zhǔn)。PDB標(biāo)準(zhǔn)與SMOW標(biāo)準(zhǔn)之間的換算關(guān)系（Coplen et al., 1983）：518OSMOW = 1.03091 518OPDB + 30.91518OPDB = 0.97002 518OSMOW - 21.8Craig（1965）和 Clarton et al.（1965）給出如下?lián)Q算關(guān)系：518OSMOW = 1.03037 518OP

2、DB + 30.37自然界存在很多放射性同位素，但是目前能用于地質(zhì)年齡測(cè)定的僅有少數(shù)幾種。這是因?yàn)槔?用天然放射性同位素測(cè)定地質(zhì)年齡，需要滿足一系列前提條件。1）用來測(cè)定地質(zhì)年齡的放射性同位素有合適的半衰期T1/2,與測(cè)定對(duì)象相比不宜過大，也不 宜過小。一般與地球年齡相比，最好在地球年齡（45.6億年）的1/10到10倍之間。半衰期 過大，自地球形成以來，放射成因子體增長(zhǎng)不明顯，目前的技術(shù)水平很難做出精確測(cè)定。相 反，半衰期過小，自地球形成以來母體衰減很快，至今幾乎或已經(jīng)完全衰減殆盡，這樣，在 被測(cè)樣品中母體含量很少，同樣不能被精確測(cè)定。2）放射性同位素的半衰期能夠被準(zhǔn)確地測(cè)定。這個(gè)條件十分重

3、要，一旦半衰期得到精確測(cè) 定并且獲得公認(rèn)，該方法就會(huì)快速發(fā)展。這方面例子很多，早期Rb-Sr法是一例，近期Re-Os 法也是一例。至今La-Ce法發(fā)展緩慢的原因之一，也是與138LaP-衰變的半衰期過大（超過 地球年齡60倍），至今沒有準(zhǔn)確地測(cè)定有關(guān)。3）能夠準(zhǔn)確測(cè)定母體同位素組成和每個(gè)同位素的相對(duì)豐度。無論是在自然界的礦物、巖石 中，還是在人工合成物中，這個(gè)相對(duì)豐度應(yīng)該固定不變，是一個(gè)常數(shù)。4）母體同位素衰變的最終產(chǎn)物必須是穩(wěn)定同位素，當(dāng)前的技術(shù)水平能夠準(zhǔn)確而靈敏地對(duì)它 們的含量與同位素組成進(jìn)行測(cè)定。5）在礦物、巖石形成時(shí)，與母體同位素同時(shí)進(jìn)入的還有對(duì)應(yīng)子體同位素，這部分子體不是 在礦物、巖

4、石形成后由其中的母體衰變產(chǎn)生。但是從實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的只能是子體總量。因此， 在計(jì)算年齡時(shí)必須有辦法對(duì)混入的這部分初始子體含量進(jìn)行扣除。在Rb-Sr法發(fā)展早期，這 個(gè)條件曾制約著它在地質(zhì)研究中的應(yīng)用，特別是，對(duì)于貧Rb的年輕樣品，要得到準(zhǔn)確Rb-Sr 年齡相當(dāng)困難。后來，等時(shí)線法的出現(xiàn)，解決了扣除初始子體含量的問題。6）礦物、巖石形成后，母一子體系有保持封閉狀態(tài)能力，或者有多階段模式進(jìn)行合理的數(shù) 據(jù)處理。7）對(duì)于鈾系、鋼系和釷系三個(gè)系列衰變來說，還需要滿足一個(gè)特殊條件，要求系列衰變達(dá) 到放射性平衡。即要求衰變系列中，任何一個(gè)中間性子體，產(chǎn)生的速度等于衰變的速度，數(shù) 學(xué)表達(dá)式為NE1=N2*2=Nn入

5、n式中N1、N2Nn分別為相對(duì)母、子體同位素的原子數(shù)，燈、入2一血是它們的衰變常數(shù)， 正因?yàn)檫@個(gè)原因，用U-Pb或Th-Pb法測(cè)定地質(zhì)年齡，存在一個(gè)下限。被測(cè)對(duì)象太年輕（1 Ma），衰變系列尚未達(dá)到平衡，測(cè)出的年齡可靠性差。當(dāng)衰變系列達(dá)到放射性平衡以后，母 體衰變掉的原子數(shù)直接等于最終產(chǎn)生的穩(wěn)定子體原子數(shù)，而與中間衰變過程無關(guān)。一些放射性同位素原來不能滿足上述條件，不能應(yīng)用于地質(zhì)年齡測(cè)定。但是，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù) 發(fā)展，不滿足的條件可能一一地實(shí)現(xiàn)，成為地質(zhì)年齡測(cè)定和地球化學(xué)研究中的新方法。近 20多年里，Sm-Nd法的建立和發(fā)展是突出例子。予計(jì)今后還會(huì)有2-3種方法日趨成熟，它 們?cè)诘刭|(zhì)學(xué)研究中將發(fā)

6、揮出新生力量的作用。在滿足上述同位素測(cè)年前提條件下，對(duì)于等時(shí)線定年方法來說，要獲得精確可靠的等時(shí)線年 齡，根據(jù)最小二乘擬合原理，還需要樣品點(diǎn)在等時(shí)線上有均勻合理分布，即要求對(duì)等時(shí)線的 高點(diǎn)、低點(diǎn)及中間位置都有控制。具體來說對(duì)Rb-Sr等時(shí)線法，就是要求構(gòu)成等時(shí)線的樣品 Rb/Sr比有一定的合理變化；對(duì)Sm-Nd等時(shí)線法，則要求構(gòu)成等時(shí)線的樣品Sm/Nd比有一 定的合理變化。另外，要求參加擬合的樣品點(diǎn)不少于67個(gè)根據(jù)天然放射性同位素自發(fā)地進(jìn)行衰變或衰變時(shí)發(fā)射出的射線（主要是a射線）對(duì)周圍物質(zhì) 作用所產(chǎn)生的某種現(xiàn)象，可以將同位素測(cè)年方法分成兩大類：1）根據(jù)放射性同位素的衰變定律測(cè)定年齡。該大類又分

7、四小類。通過測(cè)定天然放射性同位素與衰變的最終穩(wěn)定子體之間的含量比確定年齡。如U-Pb法、 K-Ar法、Rb-Sr法、Sm-Nd法等。它們是測(cè)定地質(zhì)年齡和宇宙樣品年齡的主要方法。通過測(cè)定衰變系列中某兩個(gè)中間性子體的同位素比值測(cè)定年齡。如測(cè)定年輕沉積物的U 系子體法：234U-238U、230Th-238U、230Th-234U、230Th-231Pa、210Pb 法等。利用由于放射性衰變引起自然界中某些元素同位素組成有規(guī)律的系統(tǒng)變化測(cè)定年齡。如 普通鉛法、Os同位素法。已知母體同位素的起始量，并測(cè)定現(xiàn)有含量，根據(jù)兩者比值計(jì)算年齡，為14C法。2）根據(jù)射線對(duì)周圍物質(zhì)的作用所產(chǎn)生的次級(jí)現(xiàn)象測(cè)定年齡。

8、如裂變徑跡法，熱釋光法等。 在以上這些同位素測(cè)年方法中，與地質(zhì)調(diào)查關(guān)系密切和應(yīng)用比較普遍的有U-Pb法、Rb-Sr 法、Sm-Nd法、K-Ar法，這四種方法是同位素地質(zhì)年代學(xué)的支柱，近些年U系子體法發(fā)展 迅速，Re-Os法也發(fā)展很快，Lu-Hf法主要應(yīng)用在有關(guān)殼-幔方面的基礎(chǔ)地質(zhì)研究，La-Ce法 地質(zhì)應(yīng)用至今還處在探索階段。這些方法不僅用于測(cè)年，Pb、Sr、Nd、Os、Ce等同位素還 是極有價(jià)值的同位素地球化學(xué)示蹤工具。在研究第四紀(jì)地質(zhì)年代學(xué)時(shí)，一般多采用U系子 體法、裂變徑跡法、14C法、熱釋光法等。K-Ar法的分支39Ar-40Ar法還是研究構(gòu)造熱力 學(xué)的一個(gè)重要手段同位素地質(zhì)年齡，簡(jiǎn)稱

9、同位素年齡，過去和現(xiàn)在有人也把它稱作絕對(duì)年齡，是指利用放射性 同位素衰變定律，測(cè)定礦物或巖石在某次地質(zhì)事件中，從巖漿熔體、流體中結(jié)晶或重結(jié)晶后， 到現(xiàn)在所經(jīng)歷的時(shí)間。當(dāng)?shù)V物、巖石結(jié)晶時(shí)，各種放射性同位素以不同形式進(jìn)入其中后，它 們?cè)诘V物、巖石中的含量是隨著時(shí)間作指數(shù)衰減，與此同時(shí)，放射成因子體不斷積累。在礦 物、巖石自形成以來一直保持化學(xué)封閉的條件下，即體系中沒有發(fā)生母、子體與外界物質(zhì)的 交換，沒有帶進(jìn)和帶出，那么通過測(cè)定現(xiàn)在礦物、巖石中母體及對(duì)應(yīng)子體的含量，根據(jù)衰變 定律就能得到礦物、巖石的同位素地質(zhì)年齡。不同礦物具有不同的晶體化學(xué)特征，不同類型巖石，是不同地質(zhì)作用的產(chǎn)物，有著不同的地 質(zhì)歷

10、史。另一方面，不同的放射性同位素母一子體系進(jìn)入化學(xué)封閉狀態(tài)的起始時(shí)間與保持封 閉體系的能力互不相同。這樣，用不同同位素方法測(cè)定同一對(duì)象，或用同一方法測(cè)定不同對(duì) 象，所得到的同位素年齡就有著不同地質(zhì)意義，并不是都能代表結(jié)晶年齡。當(dāng)巖石（體）從 高溫下冷卻至某個(gè)溫度后，某同位素母一子體系開始進(jìn)入封閉狀態(tài)，此時(shí)的臨界溫度稱作該 體系封閉溫度。有的情況下，如淺成小侵入體或火山噴發(fā)熔巖，巖石一旦結(jié)晶便很快冷卻， 某個(gè)母一子體系及時(shí)進(jìn)入封閉狀態(tài)開始計(jì)時(shí)，用該母-子體系測(cè)出的年齡可以代表巖體侵入 和火山噴發(fā)年齡。但是，在另外一種情況下，如埋藏很深的大規(guī)模巖基，巖石冷卻緩慢，從 巖石結(jié)晶（巖體侵位）到冷卻至封

11、閉溫度以下，中間需經(jīng)歷一段較長(zhǎng)時(shí)間，此時(shí)，同位素年 齡代表的是巖基冷卻至封閉溫度以下后距離現(xiàn)在的時(shí)間，所以冷卻年齡小于巖石結(jié)晶年齡。 此外，有的巖（石）體在形成后某一時(shí)間遭受到了強(qiáng)烈變質(zhì)作用或熱動(dòng)力干擾作用，子體同 位素發(fā)生再平衡，當(dāng)變質(zhì)作用過后，同位素計(jì)時(shí)器又重新啟動(dòng)，此時(shí)記錄的就是變質(zhì)作用或 熱事件發(fā)生時(shí)間，而不是巖石形成年齡。還有一種情況也常常發(fā)生，同位素年齡測(cè)定對(duì)樣品 有著極嚴(yán)格要求，而實(shí)際工作中有許多樣品不符合這些要求，因而得到的某些年齡完全無地 質(zhì)意義?？傊?，所謂絕對(duì)年齡并不都絕對(duì)代表形成年齡，如何正確應(yīng)用同位素年齡數(shù)據(jù)研究 復(fù)雜地質(zhì)問題，是同位素地質(zhì)年代學(xué)的中心研究?jī)?nèi)容。同位素比

12、值R為某一元素的重同位素豐度與輕同位素豐度之比，例如 D/H、13C/12C、 34S/32S等，由于輕元素在自然界中輕同位素的相對(duì)豐度很高，而重同位素的相對(duì)豐度都很 低，r值就很低且很冗長(zhǎng)繁瑣不便于比較，故在實(shí)際工作中采用了樣品的a值來表示樣品的 同位素成分。樣品（sq）的同位素比值Rsq與一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（st）的同位素比值（Rst）比較， 比較結(jié)果稱為樣品的8值，其定義為：5（%。）=（ Rsq / Rst - 1）X1000即樣品的同位素比值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素比值的千分差。對(duì)同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的要求是：（a）組成均一性質(zhì)穩(wěn)定；（b）數(shù)量較多，以便長(zhǎng)期使用；（c）化 學(xué)制備和同位素測(cè)量的手續(xù)簡(jiǎn)便

13、；（d）大致為天然同位素比值變化范圍的中值，以便用于絕 大多數(shù)樣品的測(cè)定；（e）可以做為世界范圍的零點(diǎn)。目前國(guó)際通用的同位素標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）氫同位素：分析結(jié)果均以標(biāo)準(zhǔn)平均大洋水（Standard Mean Ocean Water即SMOW）為 標(biāo)準(zhǔn)報(bào)導(dǎo)，D/H SMOW =（155.76 0.10） X 10-6（2）碳同位素：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為美國(guó)南卡羅來納州白堊紀(jì)皮狄組層位中的擬箭石化石（Peedee Belemnite,即 PDB），其 13C/12C =（11237.2 90）X 10-6（3）氧同位素：大部分氧同位素分析結(jié)果均以SMOW標(biāo)準(zhǔn)報(bào)導(dǎo)，18O/16O SMOW=（2005.2 0.

14、43）X10-6， 17O/16O SMOW=（373 15）X10-6；而在碳酸鹽樣品氧同位素分析中則經(jīng) 常采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，其18O/16O = 2067.1x10-6，它與SMOW標(biāo)準(zhǔn)之間存在一轉(zhuǎn)換關(guān)系。（4）硫同位素：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)選用Canyon Diablo鐵隕石中的隕硫鐵（Troilite）,簡(jiǎn)稱CDT。34S/32S CDT = 0.0450045 93（5）氮同位素：選空氣中氮?dú)鉃闃?biāo)準(zhǔn)。15N/14N = （3.676.5 8.1）X10-6（6）硅同位素：選用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的石英砂NBS-28做為標(biāo)準(zhǔn)。（7）硼同位素：采用SRM951硼酸做為標(biāo)準(zhǔn)，NBS推薦的11B/10B比值為4

15、.043620.00137 放射性同位素衰變的一個(gè)突出特點(diǎn)是，衰變速率完全不受外界因素影響，不因外界溫度、壓 力或化學(xué)條件的改變而改變。衰變速率大小完全是每個(gè)放射性同位素的固有特性。實(shí)驗(yàn)證明， 放射性同位素原子核的衰變，不是同時(shí)發(fā)生，但是在一個(gè)體系中，在t到t + At時(shí)間內(nèi)， 已衰變的核子數(shù)AN與尚未衰變的總核子數(shù)N和衰變的時(shí)間At成正比，即N“NAt（1.1）寫成等式N/At=-X.N（1.2）式中入為衰變常數(shù)，物理意義是，一個(gè)具放射性的原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的概率，地 質(zhì)年代學(xué)中以年-1（a-1）表示。等式右邊負(fù)號(hào)表示N值隨At的增大而減少，兩者變化方向 相反。當(dāng)時(shí)間間隔At非常小時(shí)

16、，寫成微分方程式dN/dt=-X.N或dN/N=-Xdt.（1.3）積分后得到ln N= -Xt+K（1.4）K為積分常數(shù)，設(shè)體系剛形成時(shí)未衰變的核子總數(shù)為N0，即當(dāng)t=0時(shí)，N=N0，則K=ln N0,代入(1.4 )式得到ln N= -Xt+ln N0 TOC o 1-5 h z N=N0e-Xt(1.5)此式說明，放射性同位素原子核的總核數(shù)隨著時(shí)間的減少服從于指數(shù)定律。這是放射性衰變 基本定律，也是同位素地質(zhì)年代學(xué)的基本公式。如果設(shè)t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的子體核數(shù)為Dr，則N0=N+Dr(1.6)以(1.6)式代入(1.5)式，得到Dr=N(eXt-1)t=1/Xln(Dr/N+1)(1.7)t=1/Xln(Dr/N+1)(1.8)(1. 7)和(1. 8)兩式是不同衰變體系放射成因子體增長(zhǎng)和年齡計(jì)算的基本方程式。當(dāng)母體原子核衰減到為原核數(shù)一半時(shí)，所經(jīng)歷的這段時(shí)間稱作該放