南京大学同位素地质学-05-0Rb-Sr同位素年代学(含作业)

确定沉积岩时代的其它方法： •碳酸盐U－Pb同位素 •富有机质黑色页岩Re－Os同位素 •Sr同位素地层学 •C同位素地层学 •Os同位素地层学
5.5 变质岩的Rb－Sr定年及其意义
从同一岩浆房结晶分异演化出来的岩石，往往
具有相同的初始87Sr/86Sr比值，
经历了一个时期 t 后，由于 Rb 含量的不同 ，
87Sr得到不等的增长，
从而在 87Rb/86Sr － 87Sr/86Sr 坐标系中该套岩石
Sr+可以置换Ca+，所以Sr也是一个分散元素，并 出现在含Ca的矿物中，如斜长石、磷灰石和碳酸
钙矿物。
但Sr还可以以少数独立矿物（菱锶矿和天青石）
出现，这两种矿物存在于某些热液矿床和碳酸盐
岩石中。
Sr有 23个同位素，其中 4个天然存在的稳定同位 素及其平均相对丰度为：
88Sr 87Sr 86Sr 84Sr
给定一个适当的矿物形成时所进入矿物中的
锶的同位素初始比值(87Sr/86Sr)i， 即可从前述方程求得t：
87 86 87 86 Sr/ Sr ( Sr/ Sr)i 1 t ln 1Байду номын сангаас 87 86 Rb/ Sr
只有当所给定的 (87Sr/86Sr)i 值准确、以及所
用海绿石来测定沉积岩年龄的尝试产出了许多
令人失望的结果，只有少数成功的例子。
因此一些年代学家对用海绿石定年持怀疑态度
（Obradovich & Cobban, 1975; Obradovich 1988)；
而另一些年代学家强调经过挑选的海绿石Rb－
Sr定年是可靠的（Odin， 1982）。
图 Ohio和Indiana下志留系Brassfield组海相碳酸盐中海绿 石Rb-Sr等时线，其年龄小于该组地层年龄，初始Sr同位 素组成与方解石脉的一致，海绿石的Sr同位素可能已与地 下水Sr同位素平衡
未受变质作用影响的火成岩矿物将会落在其
全岩等时线上，但是，当岩石受到区域变质
或接触变质作用时，其矿物常常会偏离全岩 等时线。
5.4 沉积岩的定年
碎屑沉积岩主要由碎屑组成，沉积过程 中，粗碎屑不可能发生 Sr 同位素均一化，因 此不能进行Rb-Sr同位素定年。
沉积岩定年比较困难，因为： A）碎屑沉积岩（砂岩、页岩）含有先存的矿 物颗粒，后者的年龄取决于其源区岩石 B）化学沉积岩或化学成分(如碳酸盐)不太适合 定年，或者对母子体元素不封闭（蒸发岩） ★如果沉积岩中含有自生粘土（海绿石或细粒 伊利石），或夹有火山岩（熔岩或凝灰岩）， 就有可能成功地定年。
测定矿物对于 Rb 、 Sr 保持封闭，由上式求得
的t值才代表矿物形成以来所经历的时间（即 年龄）。 对于富Rb因而87Sr/86Sr比值高的矿物如锂云母， 年龄（t）对所选(87Sr/86Sr)i值的大小不敏感， 换言之，选择不同的 (87Sr/86Sr)i 值所引起的 年龄误差不大。
由于这种方法测定年龄时，必须假定而不是测 定(87Sr/86Sr)i 值，因此又称模式年龄。 对黑云母、白云母和钾长石等 Rb/Sr 比值不太 高的矿物，由于 (87Sr/86Sr)i 值选择的偏差，常 常产生不一致的模式年龄。 这一问题用等时线法即可克服。
图 尼日利亚Liruei深成岩体黑云母花岗岩全岩 Rb－Sr等时线（van Breemen et al., 1975)
对于基性岩浆岩，由于Rb含量低，Rb－Sr定 年较为困难，可用Sm－Nd法、K(Ar)-Ar法进 行定年。 对岩浆岩的定年，还可用富含U或Th的副矿 物(通常常用锆石)作U－Pb同位素定年。
5.3 火成岩Rb－Sr等时线定年 岩浆结晶分异可形成一套化学成分变化的岩浆岩， (a) 如果整个岩浆的 Sr 同位素是均一的，即从岩浆中 形成的所有矿物或岩石具有相同锶同位素初始比 值(87Sr/86Sr)i， (b)若岩浆结晶过程时间相对于结晶后至今的时间
而言较短，即所有矿物或岩石具基本相同年龄，
87Sr丰度有关，由于不同矿物的Rb含量不同导致
87Sr 丰度不同，因此对每一个矿物，都要计算
86Sr丰度和Sr原子量。
下面的例子将说明该计算过程：设某样品的同位素组成为： 87Sr/86Sr=0.708961, 86Sr/88Sr=0.1194, 84Sr/88Sr=0.00675 （Faure, 1986）, 同位素丰度和Sr原子量可按以下计算：
已知同位素质量 （原子质量单位） 87 Sr：86.9088 86 Sr：85.9092 84 Sr：83.9134 88 Sr：87.9056
相对丰度质量 6.076008 8.471720 0.467803 72.60126 总和：87.61679
计算得Sr的原子量为87.61679
测定 87Sr/86Sr 比值、测定并计算 87Rb 、 86Sr 含 量，从而得87Rb/86Sr比值
透长石的K－Ar年龄：64.6±1.0Ma
锆石U－Pb年龄：63.9+0.6-0.8Ma 相一致（见下图）
图 Montana州Hell Creek地区Z煤层所 夹斑脱岩中的黑云 母、透长石的Rb－ Sr等时线
5.4.3 页岩
细粒未变质的碎屑岩如页岩，已多次被证明在Rb
－Sr等时线图上能构成直线。这种“等时线”年
5. Rb－Sr同位素年代学
5.1 Rb和Sr的地球化学
Rb是一个碱金属元素，其离子半径(1.48Å）与K+的离子半 径（1.33Å）相近，所以Rb+能够在所有含K矿物中置换K+。 Rb是一个分散元素，它不形成独立的矿物，但在一般含K 矿物如云母、钾长石、某些粘土矿物和蒸发盐中都有一定 量的Rb存在。
5.4.1海绿石 海绿石等自生矿物形成于沉积环境，因而可能 代表沉积年龄。 海绿石相中富K含Fe的粘土矿物如果没有受到深 埋、重结晶、构造变形和与地下水发生化学交 换的话，可用Rb－Sr法测定沉积年龄。 通常K2O < 6％的海绿石相不适合于定年， 而K2O>7％的海绿石相则能较可靠地用K-Ar法、 Rb-Sr法进行沉积年龄测定。
Rb有27个同位素，其中两个是天然存在的同 位素85Rb和87Rb，其现代同位素丰度分别为
85Rb 87Rb
＝ 72.1654%
＝ 27.8346%（Faure, 1986），
85Rb/87Rb比值在地球、月球和大部分陨石中
为常数2.593(Catanzaro et al., 1969), 这是因 为太阳系星云同位素均匀化的缘故。
法）。
Rb／Sr含量比值与87Rb／86Sr同位素原子数 比值的关系：
式中Ab87Rb、Ab86Sr分别为87Rb、86Sr的同位素丰 度，WRb、WSr分别为Rb、Sr的原子量。 现在：87Rb ＝ 27.8346% ; 85Rb ＝ 72.1654%
现在：87Rb ＝ 27.8346% ; 85Rb ＝ 72.1654% 值得注意的是，矿物的 86Sr 丰度和 Sr 原子量与
龄不太好解释，因为同位素均一化不一定与沉积 时间有关，而可能由成岩作用、重结晶作用引起， 这样“等时线”年龄可能小于实际沉积年龄。 另一方面，不完全同位素均一化的老碎屑(如白 云母)的存在，可能使“等时线”年龄大于沉积 年龄。
对页岩全岩Rb－Sr等时线年龄解释的不确定性，可以通过下述 方法加以避免: 粒径小于2m的伊利石粘土矿物的Rb－Sr、K－Ar年龄代表了 沉积或成岩作用年龄。这部分粘土或者是沉积自生的，或者 是沉积和成岩过程中转变的。 粗粒部分可能以碎屑粘土为主而导致老于沉积时代。 伊利石有几种多形，即1m、1md和2m。1m和1md是低温形成的， 即是自生的或成岩作用产生的；而 2m形成温度高于250℃，表 明曾经经历了变质作用，故不能提供沉积时代信息。
要通过方程解出 t而获得矿物的年龄，必须测
定矿物的 87Sr/86Sr 比值和 87Rb 、 86Sr 含量、以
及已知Sr同位素初始比值(87Sr/86Sr)i。
87Sr/86Sr比值可通过将矿物用酸溶解并分离提
纯出 Sr 盐在质谱仪上直接测定； 87Rb 、 86Sr 含 量通常用同位素稀释法测定（参见同位素稀释
(c)结晶后保持封闭，未受蚀变、变质等外来影响。
在这些条件下，方程
y
常数
x
常数
为一条等时线，线上所有的点具有相同的年
龄(t)和相同的(87Sr/86Sr)i
0.710
t>
0.708
0
87
Sr/ Sr
86
t=0
0.706
0.0
0.5
1.0
87
1.5
2.0
2.5
3.0
Rb/ Sr
86
Rb－Sr等时线法是测定中酸性岩浆岩年龄的 常用手段。一般来说，等时线法测定同源火成 岩的年龄，要优于需假定初始比值的模式年龄 方法。 火成岩全岩等时线不仅给出其结晶年龄，而 且还给出其初始比值。此外，数据点线性拟合 的程度还可检验样品是否保持封闭。
成岩石中，Rb/Sr比随分异程度增强而增加。
5.2 矿物Rb－Sr定年基础 矿物中
87
Sr Sri Rb e 1 ，其中，87Sr为矿
87 87

t

物中现今的 87Sr的原子数总量，87Sri为矿物中87Sr 的初始原子数值，衰变常数 ＝ 1.42×10-11a-1 ， t
为矿物形成以来所经历的时间。
图 得克萨斯Llano隆起晚寒武纪Riley组砂岩中重结晶海绿 石Rb－Sr等时线，年龄429±17Ma小于估计沉积年龄 515Ma，说明重结晶的海绿石的Rb－Sr等时线年龄记录了 沉积后成岩作用重结晶的年龄（Morton & Long, 1980)
图 美国西Montana州Sun River地区晚元古代McNamara、 Shepard、Empire组海绿石Rb－Sr等时线，其年龄与地层年 龄一致，初始87Sr/ 86Sr值与当时海洋Sr同位素一致，因此 Obradovich & Peterman (1968) 认为此年龄代表了沉积年龄
＝ 82.53%
＝ 7.04%
＝ 9.87%
＝ 0.56%（Faure, 1986）。
由于 87Rb衰变形成87Sr，故 Sr同位素丰度是变化 的。因此，一含 Rb矿物或岩石中 Sr同位素相对丰 度取决于该矿物或岩石的年龄及其Rb/Sr比值。
岩浆分离结晶过程中，Sr趋向于浓集于斜长石 中，而Rb留在液相中。结果，结晶过程中残余 岩浆的Rb/Sr比逐渐增加，所以在一套分异的火
方程两边同除以86Sr(常数，因为是稳定同位素)得：
该方程是Rb－Sr定年的基础。 显然，只有当矿物保持对Rb、Sr而言的封闭系统， 即矿物中87Rb、87Sr的变化只是衰变的结果，而与 矿物以外的环境无关的条件下，该定年方程才有效。 反之，若该条件不满足，矿物中Rb、Sr已发生过带 入或丢失，则由该方程算出的t 值便没有实际意义。
样品同位素比值(R) 87/88 = 0.08465 86/88 = 0.11940 84/88 = 0.00675 88/88 = 1.00000 总和 S：1.2108
计算样品同位素 相对丰度(R/S) 87 Sr：0.069912 86 Sr：0.098612 84 Sr：0.005575 88 Sr：0.825900 总和：1.0
5.4.2 斑脱岩和凝灰岩
沉积岩中的火山岩夹层可被用来帮助确定沉积 岩的年龄。
一些火山灰中含有的矿物可以用来定年，如黑 云母、透长石的Rb－Sr定年，锆石的U－Pb定 年， 由火山灰蚀变形成的蒙脱石粘土组成的斑脱岩 层中，可含有一些抗蚀变的矿物，后者可以用 来进行同位素定年。
Baadsgaard & Lerbekmo (1982)对Montana、 Saskatchewan、Alberta州K－T界线以上一米 处与古新世煤层有关的斑脱岩中的黑云母、透 长石和锆石进行了定年。 黑云母、透长石的Rb－Sr等时线年龄： 63.7±0.6Ma 与
87Rb是放射性同位素，它通过发射一个-粒
子而衰变为87Sr，
即 87Rb87Sr＋-＋＋Q，
半衰期为4.88×1010年（Steiger & Jager, 1977），λ＝1.42×10－11。
Sr是一个碱土金属元素，其离子半径（1.13Å）稍
大于Ca+的离子半径（0.99Å）。在许多矿物中