浅析同位素测年方法及其应用_丛宝华

１前言２同位素测年方法及其应用

２．１Ｕ－Ｐｂ法测年及其应用

２．２Ｒｂ－Ｓｒ法

同位素测年法就是利用天然放射性同位素的衰变规律精确测定岩石或矿物中放射性母体同位素和放射成因的稳定子体同位素的含量来计算该岩石或矿物的地质年龄，主要的同位素测年法包括Ｕ－Ｐｂ法、Ｒｂ－Ｓｒ法、Ｓｍ－Ｎｄ法、Ｋ－Ａｒ法、Ｒｅ－Ｏｓ法等几种方法。Ｕ－Ｐｂ法是古老的同位素地质年代学方法之一，早期由于分析技术不够高，多使用Ｕ－Ｔｈ含量比较高的矿物，如晶质铀矿、沥青铀矿、独居石等矿物，近来随着质谱同位素分析技术和Ｕ、Ｐｂ化学分离技术的进展，利用Ｕ－Ｐｂ地质年代学最多的矿物是锆石英、独居石、榍石等矿物。一般的来说，采用Ｕ－Ｐｂ法测定成矿年龄限于含沥青铀矿和晶质铀矿等含铀矿物的伟晶岩矿床和热液铀矿床，这些矿物的特点是稳定，不大容易受到变质作用的影响，并且从基性岩到酸性岩、长英质的正副片麻岩都含有这些矿物，大大扩大了Ｕ－Ｐｂ法测年的范围，通常这些矿物的Ｐｂ／Ｕ年龄代表成矿年龄。主要是把矿物按特定方法及不同的粒度分成几个粒级，通过加稀释剂，测定Ｕ，Ｐｂ同位素，并经过特定的公式进行修正，最后根据不一致线或一致线法来确定岩石的年龄。这种方法在我国也得到广泛应用，并取得许多成果。

Ｕ－Ｐｂ同位素测年体系到目前为止发展的这些方法，各有优缺点，在实际工作中要根据自身条件和不同的成矿环境选择适合的方法，以获得满意的年龄数据。Ｒｂ－Ｓｒ法同位素测年是基于Ｒｂ经过衰变生成Ｓｒ，由于所积累的放射性Ｓｒ的量是Ｒｂ含量及时间的函数，根据

放射衰变定律及相应的计算公式，可以绘制出铷锶等时线年龄计算图，根据计算的结果代入等时线图表就可以确定矿石或岩体的年龄。使用该方法必须满足的条件有：（１）同源，即具有共同的初始锶比值。（２）同时，即在一个短暂的时刻共同形成，并且在形后一直保持Ｒｂ、Ｓｒ的地球化学封闭系统。（３）样品形成时到样品测试时始终保持封闭体系。由于Ｒｂ－Ｓｒ年龄数据可靠，在等时线测定过程中，所获得的

Ｓｒ／Ｓｒ值还可用于推测成矿物质来源，而且，目前的实验技术可以检测矿物中极微量的Ｒｂ，Ｓｒ及其同位素组成，所以不少研究人员通过各种途径致力于Ｒｂ－Ｓｒ成矿年龄测定。

Ｒｂ－Ｓｒ法可以用来鉴定一些矿物的年龄，其中包括有：云母类矿物、长石类矿物、闪石和辉石类矿物，用Ｒｂ－Ｓｒ法测定上述单矿物时，必须要求样品新鲜、未受后期地质作用影响，否则很难得到满意的结果。

Ｒｂ－Ｓｒ法还可以用来测定成矿地质年龄，一种是根据蚀变矿物的Ｒｂ、Ｓｒ同位素组成测定成矿年龄。还有一种是通过测定矿床中脉石矿物流体包裹体的Ｒｂ－Ｓｒ同位素组成确定成矿年龄。第三种是通过测定矿床中金属矿物的Ｒｂ－Ｓｒ同位素组成确定成矿年龄。据国外学者Ｌａｎｇｅ等对密苏里州东南部Ｖｉｂｕｒｎｕｍ铅锌矿床的研究，由该矿床中４个方铅矿样品所确定的Ｒｂ－Ｓｒ等时线年龄为（３９１±２１）Ｍａ，与含矿层中海绿石的Ｒｂ－Ｓｒ年龄３６０Ｍａ基本一致。第四种是通过测定矿脉中脉石矿物与近矿蚀变围岩的Ｒｂ－Ｓｒ同位素组成确定成矿年龄。但是，Ｒｂ－Ｓｒ测年法也存在的一些问题：（１）测定年龄的样品量较大，而且要求样品同源、具有相近的同位素初始比值和形成后处于封闭体系。（２）如何科学判定Ｒｂ－Ｓｒ等时线上的样品应被剔除或保留的问题。（３）测定包裹体的年龄时，难以排除次生包裹体的影响，而且原生包裹体可能存在不同时代的包裹体，测定结果可能为混合年龄，这就决定

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浅析同位素测年方法及其应用

丛宝华

曹

征

潘佩芬

（成都理工大学地球科学学院，四川成都６１００５９）

摘要：成矿年代的确认是现代矿床研究的热点，本文仅简单的介绍了几种同位素测年的方法，包括：Ｕ－Ｐｂ法、Ｒｂ－Ｓｒ法、Ｓｍ－Ｎｄ、Ｋ－Ａｒ法和Ｒｅ－Ｏｓ法，并对某些方法进行了具体实例研究，找出其中的优缺点。在综合几种方法的优缺点之后又进一步对现阶段地质年代定年的方法进行了综评。

关键词：同位素测年；Ｕ－Ｐｂ法；Ｒｂ－Ｓｒ法；Ｓｍ－Ｎｄ；Ｋ－Ａｒ法；Ｒｅ－Ｏｓ法ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６３９６．２０１１．１１．０２６

Abstract:The confirmation of Ore-forming age is the hotspot of modern mineral deposit analysis,and this paper introduces five methods including:U-Pb Rb-Sr Sm-Nd K-Ar and Re-Os then makes a specific study on them,finding out the merit and demerit.Finally this paper concludes the modern isotope dating method after synthesizing these U-Pb Rb-Sr Sm-Nd K-Ar and Re-Os method.

Key words:Isotopic dating;U-Pb;Rb-Sr;Sm-Nd;K-Ar;Re-Os

、、、，、、、收稿日期：修回日期：作者简介：２０１１－０２－１４２０１１－０３－０７

丛宝华，山东潍坊籍，研究方向为矿物学、岩石学、矿床学。

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中国西部科技２０１１年０４月（中旬）第１０卷第１１期第２４４期

总

了在实际工作中很难得到科学的、合理的等时线年龄。Ｓｍ－Ｎｄ法是７０年代诞生的一种重要定年方法，该方法主要采用等时线法测定，通常通过分析单矿物或同源同时形成的一套ｎ（Ｓｍ）／ｎ（Ｎｄ）值变化尽可能大的岩石来实现，等时线条件主要和Ｒｂ－Ｓｒ法相同，合适的测试对象是矿床中的矿石矿物和脉石矿物，只要这些矿物有足够数量的钐、钕和可变的Ｓｍ／Ｎｄ值。由于Ｓｍ－Ｎｄ体系抗扰动性强，因而是一种理想的成矿年龄测定方法。Ｓｍ－Ｎｄ法能成功的测定许多太古代岩石的年龄，特别是太古代的超镁铁岩石。但是，Ｓｍ－Ｎｄ法也存在一些问题：（１）等时线年龄分辨率一般小于２０Ｍａ，不能测定年轻样品。（２）各种Ｓｍ、Ｎｄ参数有时失常，无法获得合理的等时线年龄。（３）等时线理论要求样品同源、具有相近的同位素初始值和形成后处于封闭体系，这些就决定了实际工作中很难得到科学、合理的等时线年龄。Ｋ－Ａｒ法年龄测定原理是基于Ｋ通过Ｋ层电子俘获转变成稳定的Ａｒ，从而进行年龄的测定。合适的测试对象主要是含钾的蚀变矿物（绢云母、白云母、绿泥石等）或脉石矿物（石英等）以及石英中的流体包裹体。利用Ｋ－Ａｒ法可以对晚新生代年轻样品的年代进行测定，该方法还可以确定成岩时代和成矿年龄。

但是，该方法仍存在一些问题：（１）氩是一种惰性气体，含钾矿物粒径对Ａｒ／Ａｒ法有一定的制约，特别是对于多期次的矿床，后期的构造热事件使得氩同位素有一定程度的带进或带出，不同形态的矿物其扩散方式不完全相同，如果样品中有效保存着其中的氩，并存在着过剩的氩，则其年龄谱就会变得比较复杂而难以解释。（２）测定石英流体包裹体Ａｒ／Ａｒ法年龄存在着次生包裹体的影响。（３）在中子照射过程中，某些样品（如伊利石）会存在

Ａｒ法反冲而丢失。（４）通过测定同一样品中白云母的Ａｒ／Ａｒ法年龄和Ｒｂ－Ｓｒ年龄，认为高压地区矿物的Ａｒ／Ａｒ法年龄可能存在不可靠性。

Ｒｅ－Ｏｓ法测年方法是近十几年来新兴的一种以金属矿物为对象的直接测定其年代的方法。它基于放射性的Ｒｅ通过β衰变成为Ｏｓ而引起锇同位素异常来计算地质年代的

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Ｒｅ－Ｏｓ定年最合适的测定对象是辉钼矿。黄铁矿、黄铜矿、辉铜矿等硫化物矿物也含少量Ｒｅ和Ｏｓ，利用高灵敏度质谱，也可以进行Ｒｅ－Ｏｓ定年。但是辉钼矿的Ｒｅ－Ｏｓ年龄比其他同位素方法测定的年龄要稍微老一些，精确地确定成矿年龄的关键在于用硫化物直接定年。

对热液矿床的研究工作表明，在硫化物的沉淀过程中Ｒｅ／Ｏｓ比值的分异十分明显，而且Ｒｅ和Ｏｓ分别为亲铜亲铁元素，均可以进入金属硫化物晶格中，为含金属硫化物的矿

床定年提供了可能。国外研究人员Ｆｒｅｙｄｉｅｒ对Ｃｈｉｌｅ斑岩型贱金属矿床进行了研究，认为可以利用Ｒｅ－Ｏｓ法测定包括黄铁矿、闪锌矿等常见的硫化物来讨论热液成矿年龄。黄铁矿为与金矿化相关的普遍存在的硫化物，若能对黄铁矿直接进行Ｒｅ－Ｏｓ法定年将有很广阔的应用前景。辉钼矿是许多金属硫化物矿物的主要伴生矿物之一，其年代测定对了解矿床形成时代有很大意义。另外就是Ｏｓ－Ｏｓ，该法是Ｒｅ－Ｏｓ法的新发展。这种方法避免了样品不均一性、样品和稀释型同位素混合不均一问题以及Ｒｅ本底高的影响。Ｒｅ－Ｏｓ法可以用来测定成岩地质年龄，我国研究人员勒永斌等从大别山北部绕拔寨超镁铁岩体５个钻空中采集的１５个样品选择其中９个样品分析Ｒｅ－Ｏｓ同位素，Ｒｅ／Ｏｓ为０．０２２－２．５６４，Ｏｓ／Ｏｓ为０．１１５６－０．１３０６，获得绕拔寨超镁铁岩体等时线年龄１．８±０．１Ｇａ，为古老的大陆岩石圈地幔的残片，该方法还可以用来测定成矿地质的年龄。Ｒｅ－Ｏｓ法定年中也存在一些问题：（１）定年技术。实验室本底限制了本方法应用于Ｒｅ和Ｏｓ含量低的样品。Ｏｓ－Ｏｓ法虽然较Ｒｅ－Ｏｓ定年有许多优点，但干扰核反应、中子通量的时空变化均会影响Ｏｓ－Ｏｓ定年的精度。（２）矿物适应性。如果辉钼矿经受了后期蚀变或热事件的影响，可能发生Ｒｅ的丢失，因此研究矿物的适应性，将是Ｒｅ－Ｏｓ同位素体系定年的一项重要研究内容。成矿地质作用年代学研究是一项既十分重要、又难度很大的研究工作，在进行成矿地质作用年代学研究时，要尽可能地采取不同的测定方法，使得出的结果在测试误差范围内相一致，随着同位素测年技术的不断改进，同位素地质年代学实验技术的飞速发展，新方法的不断诞生，以及随着成矿地质作用年代学研究工作的不断深入，使得同位素地质年龄测定的灵敏度、精确度和准确性大大提高，测定的年限范围及可供测年的对象范围也在不断扩大，对成矿作用时间维以及与相关地质事件耦合性研究的水平也不断提高，特别是高灵敏度高分辨率的离子探针质谱技术和激光探针Ａｒ－Ａｒ技术，近几年来发展十分迅速，这些都显示出同位素年代测定方法广阔的应用前景。

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２．３Ｓｍ－Ｎｄ法

２．４Ｋ－Ａｒ法

２．５Ｒｅ－Ｏｓ法

３结论

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１８７Ａｒ／Ａｒ法确定成矿时代优点：测对象广泛且用量较少；分阶段加热法得到的年龄谱往往反映了该矿物的热演化史，并且根据等时线获得的初始值可判断样品中是否含有过剩氩。

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开发应用