U-Th He测年
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(U-Th)/He同位素测年技术
目
录
一、(U-Th)/He测年技术原理
二、(U-Th)/He测年技术的方法步骤 三、(U-Th)/He测年技术的地质意义
一、(U-Th)/He测年技术原理
1.1技术原理 (U-Th) /He定年原理是根据矿物颗粒中U、Th放射性衰变产生He发 展而来的。通过测量矿物样品中放射性衰变产物 4 He 、母体同位素
(顶部)榍石的He年龄由18.6＋1.5 Ma变化为195±15 Ma,显示了较大变化,而这 种变化表明西部地质体在15~16 Ma BP时经历过地热梯度的变化,即该区发生 了新的热事件,利用之对该区热演化过程及样式进行反演。 Lippolt用(U-Th)/He定年方法获得了意大利厄尔巴(Elba)赤铁矿矿床内 镜铁5.39±0.46Ma 的He表观年龄,提出(U-Th)/He技术对地质体热演化的探讨 可扩展到上新世之后。 显然(U-Th)/He年龄既可以用于年代很新的地质体的定年,也可以约束时 代较老的地质体最后一次热事件发生的时间,结合其它封闭温度较高的同位素 定年体系可以进行系统的热演化分析。
(1-2)
式中：4He、238U、235U、232Th均为时刻t矿物中这些元素的含量, λ238= 1.55125×10-10,λ235= 9.8485×10-10,λ232= 0.49475×10-10,
238U/235U=137.88±0.14（丰度之比），t为累积时间,即所要
求取的年龄值。
方程(1-2)假定在定年矿物晶体中没有原始4He的存在,大多数情况下这个假设 成立。因为在大气中 4 He 的含量为 5 × 10 -6 左右 ( 体积比 ),因此在运用 (U-Th) /He 定年时可忽略大气中 4 He 混入的影响。在这种情况下 , 通过测定矿物中
238U和232Th的含量,就可以获得(U-Th)
/He的年龄。 4He原子核又称为
ɑ粒子,是由238U、235U和232Th通过一系列放射性衰变产生的。衰变方 程如下:
238U→206Pb+84He+6β-
235U→207Pb+74He+4β-
232Th→208Pb+64He+4β-
由同位素定年的基本公式：D=N(eλt-1)
R—球状矿物的半径。
二、(U-Th)/He测年技术的方法步骤 —以磷灰石为例
1、首先要进行矿物的分选,包括破碎、碾磨、过筛、淘洗、重液 分离和磁选分离,得到磷灰石矿物颗粒(锆石颗粒同理)。
然后在双目显微镜下从分选出来的重矿物精矿中手工挑选自形磷灰石晶体。
晶体的挑选要求比较高 ,挑选时尽量确保磷灰石晶体不含包裹体 ,因为对于流体包裹 体,里面可能含有壳源或幔源的He,从而使测得的He浓度偏高;而锆石包裹体,会产生 多余的U、Th。此外,由于α粒子射出效应的影响,晶体最短轴直径最好为60~70Lm。 用经过校正的数码相机对挑选出的磷灰石晶体的形状、尺寸进行测量、照相, 计算出校正参数FT,进行年代校正。
2、磷灰石晶体的释气与He浓度测试
将单颗粒样品放入金属箔容器中,用激光束恒温加热,温度为1000~1300℃,时间为 3~5 min。然后对提取出来的4He加入约9 ncc(1 ncc=1×10-9mL)的3He,在低温条件 下 (16 K)用活性炭进行聚集、纯化,将提纯后的 He输入质谱仪中 ,在静态模式下测
4He、238U和232Th的量,利用方程(1-2)就可以算出矿物在He同位素体系封闭以
后所经历的时间。
1.2 公式校正 当U、Th衰变产生的ɑ 粒子会以巨大的初始动能而被发射出来，因此它
会运动到离母体一定距离后停下来，这就是ɑ粒子的长停止距离效应，并且
将造成部分He的丢失。放射出来的ɑ粒子一般具有4~8MeV的动能。停止距 离是指从母体到ɑ粒子停止下来的直线距离，一般范围是11~34μm。
三、(U-Th)/He测年技术的地质意义
与其它定年方法相比, (U-Th) /He定年体系最大的的优点是对低温条件的
敏感性。研究表明,磷灰石氦封闭温度为45~90℃(冷却速率为10℃/Ma时,封闭 温度为75± 7℃ )比任何其它已知定年方法的同位素封闭温度都要低。因此，
可将此方法用于地质体定年、低温热年代史演化、地形地貌演化等研究。
Farley等(1996)通过研究停止距离对球状、桶状和立方体状矿物晶体中He保存性 的影响,从理论上推导出He的保存率和年龄校正公式。可以简单地表示如下：
F
T
3S S 1 4 R 16R
3
3
(1-3)
实测年龄 校正年龄 F
T
(1-4)
式中:FT—He的总保存率； S—α粒子的停止距离；
示着该区的折返始于东部,后期的加热则始于西部。
3.3 在地形地貌演化上的应用
由于磷灰石U-Th/He具有较低的封闭温度,近地表条件的变化都可能使它受到影响。 冷却年龄对于地壳上部几km的长波地形(long-wavelengh topography)十分敏感。在长 波地形的河谷下面,岩石的冷却比较早,冷却年龄比较大;在山脊上却正好相反。 House(1998) 正是利用这一特点 , 测定了 Sierra Nevada 的古地形年龄 , 说明 San Josquin和King rivers大峡谷最晚的切割时间为70~80 Ma。在Sierra Nevada南部的岩
(1-1)
t—母体同位素放射衰变的时间，即地质体年龄；
D—放射性成因的稳定子体同位素的量； N—经过t时间后，现在所剩下的放射性母体同位素； 可知，由U、Th衰变产生4He子体同位素的基本方程为：
4He=8238U[exp(λ 235U[exp(λ 232Th[exp(λ 238t-1)]+7 235t-1)]+6 232t-1)]
4He/3He比值。
3、U、Th含量测试
将测试完4He/3He的样品放入经过校准的229Th和233U溶液,然后将样品在浓度约 30%的HNO3中溶解,待样品完全溶解并混合均匀后,用等离子质谱仪来测量238U/233U 和232Th/229Th的比值
4、年龄计算
根据公式1-2、公式1-3、公式1-4便可计算出矿物在He同位素体系封闭以后所 经历的时间。
3.2 在低温热演化史上的应用
由于(U-Th)/He的衰变与扩散间的关系特性,使(U-Th)/He年龄值与样品的海 拔高度有密切的相关性 ,像裂变径迹年龄特性一样 ,在没有异常热扰动情况下 , 海拔高的样品有较 高的(U-Th)/He年龄值,而且利用其封闭温度可以了解热事 件发生的时间,因此人们可利 用(U-Th)/He系统进行地质体热演化及折返样式 研究。 House等就通过磷灰石(U-Th)/He的定年开展了对美国加里佛尼亚内华达 (Nevada) 山脉中部地区新生代热演化研究 ,得出海拔最低处的He年龄最年轻, 样品的He年龄值随海拔高度的增加而增加。该区约塞米蒂(Yosemite) 峡谷的 He 年龄为43~84 Ma BP, 金斯(Kings) 河谷的He年龄为32~74 Ma BP, 怀特 (Whintney)山的He年龄为23~75Ma BP;从约塞米蒂峡谷到怀特山(由东向西) 同一海拔的样品,其He年龄趋变年青,反映出该区冷却发生方向为由东向西 ,暗
体上,沿200 km长的剖面,在约2 km的高程收集了36个样品,测试了它们的U-Th/He年龄,
年龄范围为距今44.5~84.6 Ma。测试结果如图所示,年龄和地形有很好的对应关系
磷灰石U-Th/He年龄与地形的关系图
over
3.1 地质体定年
Kohn利用(U-Th)/He方法测得新西兰北岛Rangitawa Tephra的新生代流
纹质黑耀岩和火山玻璃中磷灰石和锆石的(U-Th)/He年龄为37.1±0.45Ma,该 年龄值为黑耀岩的形成年龄;Rein-ers测得美国内华达洲南维尔京(Virgin)山
GoldButte构造区磷灰石的He年龄为15.2±1.0 Ma,从构造区西部(底部)到东部
目
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一、(U-Th)/He测年技术原理
二、(U-Th)/He测年技术的方法步骤 三、(U-Th)/He测年技术的地质意义
一、(U-Th)/He测年技术原理
1.1技术原理 (U-Th) /He定年原理是根据矿物颗粒中U、Th放射性衰变产生He发 展而来的。通过测量矿物样品中放射性衰变产物 4 He 、母体同位素
(顶部)榍石的He年龄由18.6＋1.5 Ma变化为195±15 Ma,显示了较大变化,而这 种变化表明西部地质体在15~16 Ma BP时经历过地热梯度的变化,即该区发生 了新的热事件,利用之对该区热演化过程及样式进行反演。 Lippolt用(U-Th)/He定年方法获得了意大利厄尔巴(Elba)赤铁矿矿床内 镜铁5.39±0.46Ma 的He表观年龄,提出(U-Th)/He技术对地质体热演化的探讨 可扩展到上新世之后。 显然(U-Th)/He年龄既可以用于年代很新的地质体的定年,也可以约束时 代较老的地质体最后一次热事件发生的时间,结合其它封闭温度较高的同位素 定年体系可以进行系统的热演化分析。
(1-2)
式中：4He、238U、235U、232Th均为时刻t矿物中这些元素的含量, λ238= 1.55125×10-10,λ235= 9.8485×10-10,λ232= 0.49475×10-10,
238U/235U=137.88±0.14（丰度之比），t为累积时间,即所要
求取的年龄值。
方程(1-2)假定在定年矿物晶体中没有原始4He的存在,大多数情况下这个假设 成立。因为在大气中 4 He 的含量为 5 × 10 -6 左右 ( 体积比 ),因此在运用 (U-Th) /He 定年时可忽略大气中 4 He 混入的影响。在这种情况下 , 通过测定矿物中
238U和232Th的含量,就可以获得(U-Th)
/He的年龄。 4He原子核又称为
ɑ粒子,是由238U、235U和232Th通过一系列放射性衰变产生的。衰变方 程如下:
238U→206Pb+84He+6β-
235U→207Pb+74He+4β-
232Th→208Pb+64He+4β-
由同位素定年的基本公式：D=N(eλt-1)
R—球状矿物的半径。
二、(U-Th)/He测年技术的方法步骤 —以磷灰石为例
1、首先要进行矿物的分选,包括破碎、碾磨、过筛、淘洗、重液 分离和磁选分离,得到磷灰石矿物颗粒(锆石颗粒同理)。
然后在双目显微镜下从分选出来的重矿物精矿中手工挑选自形磷灰石晶体。
晶体的挑选要求比较高 ,挑选时尽量确保磷灰石晶体不含包裹体 ,因为对于流体包裹 体,里面可能含有壳源或幔源的He,从而使测得的He浓度偏高;而锆石包裹体,会产生 多余的U、Th。此外,由于α粒子射出效应的影响,晶体最短轴直径最好为60~70Lm。 用经过校正的数码相机对挑选出的磷灰石晶体的形状、尺寸进行测量、照相, 计算出校正参数FT,进行年代校正。
2、磷灰石晶体的释气与He浓度测试
将单颗粒样品放入金属箔容器中,用激光束恒温加热,温度为1000~1300℃,时间为 3~5 min。然后对提取出来的4He加入约9 ncc(1 ncc=1×10-9mL)的3He,在低温条件 下 (16 K)用活性炭进行聚集、纯化,将提纯后的 He输入质谱仪中 ,在静态模式下测
4He、238U和232Th的量,利用方程(1-2)就可以算出矿物在He同位素体系封闭以
后所经历的时间。
1.2 公式校正 当U、Th衰变产生的ɑ 粒子会以巨大的初始动能而被发射出来，因此它
会运动到离母体一定距离后停下来，这就是ɑ粒子的长停止距离效应，并且
将造成部分He的丢失。放射出来的ɑ粒子一般具有4~8MeV的动能。停止距 离是指从母体到ɑ粒子停止下来的直线距离，一般范围是11~34μm。
三、(U-Th)/He测年技术的地质意义
与其它定年方法相比, (U-Th) /He定年体系最大的的优点是对低温条件的
敏感性。研究表明,磷灰石氦封闭温度为45~90℃(冷却速率为10℃/Ma时,封闭 温度为75± 7℃ )比任何其它已知定年方法的同位素封闭温度都要低。因此，
可将此方法用于地质体定年、低温热年代史演化、地形地貌演化等研究。
Farley等(1996)通过研究停止距离对球状、桶状和立方体状矿物晶体中He保存性 的影响,从理论上推导出He的保存率和年龄校正公式。可以简单地表示如下：
F
T
3S S 1 4 R 16R
3
3
(1-3)
实测年龄 校正年龄 F
T
(1-4)
式中:FT—He的总保存率； S—α粒子的停止距离；
示着该区的折返始于东部,后期的加热则始于西部。
3.3 在地形地貌演化上的应用
由于磷灰石U-Th/He具有较低的封闭温度,近地表条件的变化都可能使它受到影响。 冷却年龄对于地壳上部几km的长波地形(long-wavelengh topography)十分敏感。在长 波地形的河谷下面,岩石的冷却比较早,冷却年龄比较大;在山脊上却正好相反。 House(1998) 正是利用这一特点 , 测定了 Sierra Nevada 的古地形年龄 , 说明 San Josquin和King rivers大峡谷最晚的切割时间为70~80 Ma。在Sierra Nevada南部的岩
(1-1)
t—母体同位素放射衰变的时间，即地质体年龄；
D—放射性成因的稳定子体同位素的量； N—经过t时间后，现在所剩下的放射性母体同位素； 可知，由U、Th衰变产生4He子体同位素的基本方程为：
4He=8238U[exp(λ 235U[exp(λ 232Th[exp(λ 238t-1)]+7 235t-1)]+6 232t-1)]
4He/3He比值。
3、U、Th含量测试
将测试完4He/3He的样品放入经过校准的229Th和233U溶液,然后将样品在浓度约 30%的HNO3中溶解,待样品完全溶解并混合均匀后,用等离子质谱仪来测量238U/233U 和232Th/229Th的比值
4、年龄计算
根据公式1-2、公式1-3、公式1-4便可计算出矿物在He同位素体系封闭以后所 经历的时间。
3.2 在低温热演化史上的应用
由于(U-Th)/He的衰变与扩散间的关系特性,使(U-Th)/He年龄值与样品的海 拔高度有密切的相关性 ,像裂变径迹年龄特性一样 ,在没有异常热扰动情况下 , 海拔高的样品有较 高的(U-Th)/He年龄值,而且利用其封闭温度可以了解热事 件发生的时间,因此人们可利 用(U-Th)/He系统进行地质体热演化及折返样式 研究。 House等就通过磷灰石(U-Th)/He的定年开展了对美国加里佛尼亚内华达 (Nevada) 山脉中部地区新生代热演化研究 ,得出海拔最低处的He年龄最年轻, 样品的He年龄值随海拔高度的增加而增加。该区约塞米蒂(Yosemite) 峡谷的 He 年龄为43~84 Ma BP, 金斯(Kings) 河谷的He年龄为32~74 Ma BP, 怀特 (Whintney)山的He年龄为23~75Ma BP;从约塞米蒂峡谷到怀特山(由东向西) 同一海拔的样品,其He年龄趋变年青,反映出该区冷却发生方向为由东向西 ,暗
体上,沿200 km长的剖面,在约2 km的高程收集了36个样品,测试了它们的U-Th/He年龄,
年龄范围为距今44.5~84.6 Ma。测试结果如图所示,年龄和地形有很好的对应关系
磷灰石U-Th/He年龄与地形的关系图
over
3.1 地质体定年
Kohn利用(U-Th)/He方法测得新西兰北岛Rangitawa Tephra的新生代流
纹质黑耀岩和火山玻璃中磷灰石和锆石的(U-Th)/He年龄为37.1±0.45Ma,该 年龄值为黑耀岩的形成年龄;Rein-ers测得美国内华达洲南维尔京(Virgin)山
GoldButte构造区磷灰石的He年龄为15.2±1.0 Ma,从构造区西部(底部)到东部