简析同位素测年法

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摘要：同位素年代学研究是现代矿床学研究的热点，本文仅简单地介绍了U―Pb法、Rb―Sr法、Sm―Nd法、K―Ar法、Re―Os法等几种同位素测年方法，并分析了其优缺点。认为要尽可能地采取不同的测定方法，以地质为基础，才能获得有地质意义的年龄数据，做出有科学意义的地质解释。

关键词：同位素测年；U―Pb法；Rb―Sr法；Sm―Nd法；K―Ar法；Re―Os法

1. 前言

1896年，贝可勒尔（A.H.Becquerel）发现铀的盐类能使封闭的照相底片感光。随后证明了铀可以粒子和电磁辐射的形式发出能量，即能自然衰变。居里夫人把这种辐射现象称为放射性。建立在放射性同位素衰变规律基础上的，用以测定不同地质体和地质事件年龄的计时方法即为同位素测年法。目前主要应有的同位素测年方法有U―Pb法、Rb―Sr法、Sm―Nd法、K―Ar法、Re―Os法等几种方法（温春齐等，2009）。

2. 同位素测年法

2.1 基本原理

假设岩石或矿物形成时，含有少许的放射性母体同位素。伴随时间流逝，该母体同位素自然衰变，含量逐渐减少，由此形成的子体同位素则逐渐增多。通过测量仪器准确测定岩石或矿物中放射性母体以及衰变形成的稳定子体同位素的含量，通过公式（1）即可计算出所测岩石或矿物的同位素年龄。它一般代表了经过某一地质作用形成的岩石或矿物中所测同位素保持封闭体系以来的时间。

t=1/λ×ln（1+D*/N） （1）

其中D*=N0―N=N0（1―e―λt）=N（eλt―1）

λ为衰变常数、N0为t=0时放射性母体原子数、N为t时放射性原子数

2.2 基本条件

应用同位素测年法需满足一定的条件，主要有：

（1）岩石或矿物自形成后应保持封闭体系，无母、子体同位素的加入或丢失。

（2）选定用来测年的放射性母体同位素应有适宜的半衰期，其与所测地质体或地质事件的年龄差距不大，且半衰期和衰变常数目前已知或能精确测定。

（3）准确了解放射性母体同位素的相对丰度，且目前已有精确测定岩石或矿物中母体及子体同位素含量的方法。

（4）精确测定或能有效校正岩石或矿物形成时就已经存在的子体同位素的初始含量。

上述四个方面，既是作为同位素测年法的基本假设前提，也是同位素测年法的限制条件。根据不同的地质背景和研究目的，选择恰当的测年方法，是取得可靠地质年龄信息的重要前提。

2.3 U-Pb法

U-Pb法是最早用来测定地质年龄的放射性同位素测年方法之一，也是目前应用范围最广的同位素测年方法。

测试样品主要是选择晶质铀矿、沥青铀矿、锆石、榍石、磷灰石、金红石、独居石等含U、Th含量高的副矿物，常用矿物为锆石。采样时必须选择新鲜露头，避免在受构造或后期岩浆活动影响的地段取样；必须仔细分离单矿物，避免外来样品的混染，剔除掉含有包裹体杂质的不纯锆石或其他副矿物，测定时只留下纯净的锆石等副矿物。

目前主要有高灵敏度高分辨率离子探针质谱计法（SHRIMP）、锆石激光剥蚀法（LA-ICP-MS）、锆石TIMS稀释法、锆石TIMS蒸发法等（陈文等，2011）。

一些锆石的内部微观结构十分复杂，有的锆石内部的核具环带，而外部则是透明的、无环带的变质重结晶边。由于锆石化学成分和同位素的不均一性，表面的铀含量可以成百倍地高于中心部位，从而在一个晶粒的不同部位，U和Pb含量不同，形成单颗粒锆石的年龄梯度。这些问题给传统的锆石U―Pb法定年带来困难，使得高灵敏度高分辨率离子探针质谱计法（SHRIMP）成为公认最好的U―Pb年代学方法（董树文等，2005）。

SHRIMP具有高分辨率、高灵敏度、高精度、微区原位等特点，最大技术优势是不需化学处理可对一个矿物（石、独居石、榍石、磷钇矿和磷灰石等）的不同部位直接定年。可以测定

SHRIMP目前对于一些前寒武纪的锆石获得的207Pb/206Pb年龄往往具有较小的误差，而206Pb/238U年龄的误差相对较大，这与LAM-ICP-MS测定结果正好相反，所以它一般多用207Pb/206Pb年龄。另外，对于高U锆石区，SHRIMP有时往往会得出较高的206Pb/238U年龄。

2.4 Rb―Sr法

87Rb是放射性同位素，它通过发射一个β-粒子而衰变成87Sr，衰变公式为：87Rb87Sr+β-++Q，其半衰期为4.88×1010a，可用它测定古生代和前寒武纪的地质事件。

Rb+离子半径与K+离子半径相近，所以Rb+能够在所有含K矿物中置换K+。Rb是一种分散元素，它不形成独立的矿物。测试样品有云母、长石、电气石、角闪石、磷灰石、方解石和石英，闪锌矿、黄铁矿等硫化物及全岩（温春齐等，2009）。

由于87Rb衰变形成87Sr，故Sr同位素丰度是变化的，因此含Rb矿物或岩石中Sr同位素的精确组成取决于该矿物或岩石的年龄及其n（Rb）/n（Sr）值。

t=×ln（1+） （2）

只有当所测定矿物对于Rb、Sr保持封闭，以及给定的值准确时，由公式（2）求得的t值才代表矿物形成以来所经历的时间（即年龄）。由于这种方法测定年龄时，必须假定而不是测定值，因此又称为模式年龄。对黑云母、白云母和钾长石等n（Rb）/n（Sr）值较低的矿物，由于值选择的偏差，常常产生不一致的模式年龄。

另外黑云母和白云母在变质时可能丢失Sr，此时Rb―Sr测定的年龄值是岩石或矿物最后受热的年龄。此外在中等热度条件下，Sr往往并不从岩石里迁出，此时Rb―Sr年龄一般可代表岩浆岩最初结晶的年龄，或者变质岩第一次强烈变质的年龄。如果测试样品曾受过交代蚀变作用或两次强烈变质作用，则Rb―Sr测定年龄可能是最后的而不是最初的地质事件。

目前Re-Os法是能够直接测定金属矿床矿化年龄的唯一成熟方法。但是含有辉钼矿的矿床类型非常有限，该方法的应用受到了一定限制，在实验技术和应用技术方面还存在着如下不足：①虽然辉钼矿的Re-Os法测年技术成熟，应用成果也很多，但近年来也发现有些金属矿床中的辉钼矿Re-Os年龄高于其赋矿围岩的年龄，其原因仍不清楚；②黄铁矿等多数硫化物矿物含Re量明显偏低，并含有一定程度的普通Os，一般实验室难以达到对样品化学制备过程中低本底的高要求，并且普通Os也难以准确扣除；③后期的热液活动有时也可以使Os同位素发生变化，因此，金属硫化物的Re-Os同位素体系封闭温度及其影响因素是一个急需解决的问题（陈文等，2011）。另外多数研究只关注年龄及其代表的地质意义，对不同成因硫化物的Re-Os同位素体系及其定年基本条件理解不够。

随着实验仪器精度的不断提高和实验室条件的不断改善，对黄铁矿、黄铜矿、毒砂等普通硫化物直接进行Re-Os法定年和成矿物质来源示踪一定拥有很广阔的应用前景（张苏坤等，2012）。

3. 结语

一个完整的同位素测年过程至少包括5个步骤：①提出问题；②选定测年方法；③获取测试样品；④实验室内分析测试同位素年龄；⑤解释数据。其中任何一个步骤出现问题都会导致同位素测年结果出现偏差。可以看出，同位素测年除了@得实验室内的年龄数据，还必须与地质相结合，才能获得有地质意义的年龄数据并科学解释这个有地质意义的年龄数据。简而言之，同位素测年既不是单纯的同位素年龄测定的技术问题，也不是单纯的地质问题，而是两者的有机结合。要尽可能采取不同的测定方法，得出的结果如果在测试误差范围内相一致，这样才有可能取得与地质事实相吻合的同位素年龄（陈文等，2011；丛宝华等，2011）。

参考文献：

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