南京大学同位素地质学-10 K-Ar,Ar-Ar同位素年代学(含作业)

好的检验方法。
K-Ar等时线法定年可应用于除了满足同时形成的条件外，
还满足以下两条件之一的矿物或合适的全岩: 进入所分析矿物或岩石的初始Ar具有相同的同位素组成 所分析的矿物或岩石具有很高的放射成因40Ar，以致于 这些矿物或岩石在初始40Ar/36Ar比值方面的差异无关紧要
K-Ar法最重要的应用之一，是用来标定海底磁
异常条带的时标。
由于从海底取到可进行K-Ar定年的新鲜岩石很
有限，因此多数研究集中在对陆上具有很好磁
性地层记录的玄武质熔岩剖面。K-Ar法几乎是
能够测定年轻玄武岩的唯一方法。
自从该方法建立以来，磁异常条带时标被不断 地用K-Ar法进行修订。
对于变质岩，K－Ar年龄往往代表最后一期
变质幕的退变质作用（ 达到Ar封闭温度）的
能够克服传统的 K-Ar法因发生 Ar丢失而产生偏差
的缺点。
只需测定 Ar同位素比值，排除了 K-Ar法因需用两 份样品测定 K 、 Ar 的绝对含量、样品存在不均一 性等所产生的误差。 因此该方法特别适用于很小或很珍贵的样品的定年
（1）原理 含K矿物中的稳定同位素 39K可通过在核反应堆
对K-Ar定年的影响最明显。
堇青石、辉石和电气石经常含有过剩40Ar，而角闪
石、长石、金云母、黑云母和方钠石中较少出现
过剩 40Ar （ York
and MacIntyre, 1965; Livingston et al., 1967 ）
。过剩
40Ar也曾经在金刚石中发现（Ozima et al., 1983）。
大多数岩石中的变化很小。 加之自然和工业过程中Ca同位素会发生分馏， 因此这一衰变母-子体定年方法只有很局限的应 用。本课不拟介绍。
40K中虽然只有11.16%衰变为40Ar，但由于
Ar是稀有气体，其中放射成因Ar占主导。
故K-Ar法定年是最早发展起来并被广泛应
用的方法之一。
在一个含K的封闭体系中，放射成因40Ar和40Ca
Ar/36Ar
400
350
D
40
300
250
40 36
原则上，K-Ar等时线图上很好的线性分布将给 出有意义的年龄和初始Ar同位素比值。然而， 由于这种复杂的大气Ar混合作用，有时很好的 线性分布的斜率也可能没有任何实际意义。
尽管如此，对怀疑有过剩Ar的体系，尤其是深
成岩体系，进行等时线图处理，仍然是一种很
注：所谓过剩 40Ar或继承 40Ar，与初始 87Sr等的含 义相类似。
一般而言，受 Ar 分压高的区域变质、伟晶岩和 金伯利岩影响的矿物往往存在过剩40Ar； Dalrymple and Moore (1968) 在海底玄武岩中 也发现过剩40Ar，他们认为这是在静水压力下喷
发的岩浆快速淬火，继承40Ar没有象陆上喷发岩
10、K-Ar法和Ar-Ar法 同位素年代学
1、地球化学性质 K是IA族碱金属元素，是地壳中8种最丰富的 元素之一，是许多造岩矿物（如：云母、钾长石、 粘土矿物和某些蒸发盐矿物）的主要成分。
K有3个天然出现的同位素，其丰度如下：
39K
40K
93.2581%（稳定）；（辐照可转变为39Ar）
0.01167%（放射性）
41K
6.7302% （稳定）
由此计算得原子量为 39.0983（ Garner et al.,
1975）。
Ar是一个惰性气体%。根据Nier (1950)
的测定，地球大气中Ar的同位素丰度为：
40Ar 38Ar 36Ar
99.60% 0.063%
40
40 19
K（0.001%） Ar + + + + Q
40 18
比较：Rb=1.42×10-11a-1 Sm=6.54×10-12a-1
40K 的相对丰度仅 0.01167%， 40K( 中的 88.84%)
衰变形成的 40Ca，在大多数岩石中被非放射成
因的40Ca所淹没，故放射成因的 40Ca的丰度在
自然衰变方程
反应堆辐照方程
40Ar*
= (e/) 40K (et -1)
39 maxe
39
Ar Kt
mine
e e de
两方程相除得到：
40
Ar * e 39 Ar
(e t 1) 39 Kt e e de
40
K
40
e Ar * 39 Ar
K (e t 1) 39 Kt e e de
40
＝(eλt－1)/J
中括号内的项对于待测样品和标样而言，具有相同 的值。习惯上将该项的倒数用J 表示
对标样而言，J可由下式 求得（式中t已知）： 从而，样品的年龄t 可由下式求得：
e 1 J 40 39 Ar */ Ar
大气40Ar的矫正：
40
Ar* 40 Ar 39 39 Ar Ar 测 Ar 40 Ar 39 39 Ar Ar 测
*
40
Ar大气 39 Ar测 Ar大气 39 Ar测
36
40
40
• 39Ar 由 39K 与中子反应产生（大气中没有 39Ar ）
• 40Ar 由从 40K 衰变产生的、以及分析过程中混
染的大气Ar两部分组成，
• 36Ar完全来自大气。则式
t ln J 1
40
Ar * 1 39 Ar
中的40Ar*/39Ar可通过以下大气Ar矫正获得。
沉积岩中最合适的是含有海绿石的岩石。
由于全岩抵御热扰动保存Ar的能力最差，因此
K-Ar定年中，只有当所有矿物相都太细而无法
分离时，才采用全岩样品。 一般而言， K-Ar 年龄代表矿物 / 岩石冷却到 Ar 扩散丢失微乎其微的温度以来所经历的时间。
另一方面，一些含K矿物中发现存在过剩的 40Ar， 在K含量较低或较年轻的矿物中，过剩40Ar的存在
条件2：矿物在形成时及其以后没有外来40Ar （通常称为过剩Ar或继承Ar）加入，也没有因 扩散等而丢失。
条件3：矿物也必须对K保持封闭，K同位素相对 丰度的变化只由40K衰变引起，而没有同位素分
馏作用发生；
条件4：必须能够对测定过程中由于仪器内部不
可避免地存在的大气40Ar进行扣除校正。
由于Ar是惰性气体，在矿物晶格中不与其它原
（ 6）

Ar 36 Ar 总
40
Ar 36 Ar 大气
40
e 40 K t Ar (e 1) 36 36 Ar 过剩 Ar
40
y = 295.5 + c + xm 当所分析的一套的火山岩样品来自一个已完全 去气的单一岩浆体系，则 c 项为零。因此分析 数据点构成的等时线的截距应为 295.5 ，从其
斜率可以计算出火山岩的喷发年龄。
事实上，该等时线是样品和大气Ar之间的混合 线。图说明地质样品继承Ar和分析过程大气Ar 混染的情况，
500
C B A E F
450
在只有继承 Ar 和放射成因 Ar 的情况下，数 据点组成A、 B、C排列；
但在发生不同 程度大气 Ar 混 染的情况下， 会产生数据点 散 布 （ D EF ） 的 结 果 。
中受快中子辐照原位转化为39Ar：
39 19 K
+ n (中子) =
39 18 Ar
+ p (质子)
这样，使K-Ar定年中对K含量的测定转化为对 Ar同位素的测定，从而提高精度（Merrihue and Turner，
1966)
。
39 19 K
+ n (中子) = 18 Ar + p (质子)
(T1/2=269a)相对
时间
Ar 丢失事件：科罗拉多一个年龄为 60 Ma的Eldora
二长岩岩枝侵入到 年龄为1450 Ma的角闪岩和片岩中
1400 Ma
离开岩枝的距离
角闪岩和片岩中矿物K-Ar表面年龄与侵入岩枝接触带距离图. After Hart (1964).
4、40Ar-39Ar定年
40Ar-39Ar法与K-Ar法相比，具有下列特点/优点:
那样完全去气的缘故。
3、K-Ar等时线 针对上述过剩Ar存在使计算年龄偏老的问题， McDougall et al.(1969) 提出用测定的总 40Ar
（ 未 经 大 气 Ar 校 正 ） 除 于 稳 定 的 36Ar 对
40K/36Ar作图，构作与Rb-Sr法类似的等时线。
方程
40Ar
= 40Ari + (e/) 40K (et -1)
0.337%
因而大气40Ar/36Ar=295.5。
2、K-Ar法定年 放射性的
40K
分 支 衰 变 为
40Ca和40Ar：
40 19
40 K（88.84%） Ca + - + + Q 20
=4.96210-10a-1 e=0.58110-10a-1
40 19
K（11.16%） Ar + + Q (电子捕获) 18
的增长可表达为：
40Ar*
+ 40Ca* = 40K (et -1)
（ 1）
式中是40K的总衰变常数，
= e + = 5.54310-10a-1。
衰变为40Ar的那部分40K原子数为(e/)40K。
因此含K矿物或岩石中总40Ar为：
40Ar
= 40Ari + (e/) 40K (et -1)
（ 2）
40Ar
= 40Ari + (e/) 40K (et -1)
(2)
如果矿物或岩石形成时完全去气，不存在初始
40Ar ，即所含氩都为放射成因40Ar*： i 40Ar*
= (e/) 40K (et -1)
(3)
式（3）即为K-Ar年龄方程。
40Ar*
= (e/) 40K (et -1)

Ar 36 Ar 总
40
Ar 36 Ar 大气
40
e 40 K t Ar (e 1) 36 36 Ar 过剩 Ar
40
该方程具有以下形式： y = 295.5 + c + xm
t
1 t ln J
40
Ar * 1 39 Ar
为了获得一起放入反应堆的每一个未知样品的 精确J 值，需要同时放置几个标样，每一个样 品的J 值由相对于标样放置位置进行内插获得
（Michell, 1968）。
矫正消除大气Ar：
假定辐照样品中
39
39Ar是放射性的，但其半衰期
于质谱分析过程而言较长，因此可以当作稳定同
位素来对待。
39K通过辐照转化为39Ar的产量可表达为：
39
Ar Kt
39
maxe
mine
e e de
式中Δt为辐照时间，e是能量为e的中子的通量
密度，e为受能量为e的中子所辐照的截面。 计算39Ar的产量必须是对整个中子能量范围进 行积分，但这是很难实现的。因此一般用已知 年龄的标样来监测反应堆中子通量。
(3)
通过测定含K矿物中的K含量和放射成因40Ar的 量，即可从此方程求得t：
40 1 Ar * t 40 1 K e
由此求得的t 只有当下述条件满足下才是有意
义的年龄值：
条件1： 矿物结晶后不久即对Ar封闭（矿物结
晶后冷却很快）；
(2)
两边除于36Ar，得：
40 Ar 40 Ar e 40 K t 36 36 36 Ar Ar Ar e 1 i


(4)
y
x
该方程具有以下形式： y = b + xm
(5)
把方程(4)中初始(40Ar/36Ar)i一项扩展为包括大 气Ar和继承Ar两项：
子键合，因此Ar丢失是可能发生的。要使K-Ar
定年结果有意义，所选矿物和岩石必须含有一 定量的K并不易发生化学变化。 火山岩中的长石、黑云母和角闪石是K-Ar定年 最有用的矿物。 深成岩和变质岩中的这些矿物也被用来进行KAr定年。
Hart（1964）对受新生代岩枝侵入热影响的前 寒武纪变质岩的矿物 K-Ar定年研究表明，角闪 石抵御热扰动而保存Ar的能力最强，黑云母次 之，钾长石最差。