徐學員　周富華　易慧能

摘要：同位素年代學研究是現代礦床學研究的熱點，本文僅簡單地介紹了U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等幾種同位素測年方法，并分析了其優(yōu)缺點。認為要盡可能地采取不同的測定方法，以地質為基礎，才能獲得有地質意義的年齡數據，做出有科學意義的地質解釋。

關鍵詞：同位素測年；U—Pb法；Rb—Sr法；Sm—Nd法；K—Ar法；Re—Os法

1. 前言

1896年，貝可勒爾（A.H.Becquerel）發(fā)現鈾的鹽類能使封閉的照相底片感光。隨后證明了鈾可以粒子和電磁輻射的形式發(fā)出能量，即能自然衰變。居里夫人把這種輻射現象稱為放射性。建立在放射性同位素衰變規(guī)律基礎上的，用以測定不同地質體和地質事件年齡的計時方法即為同位素測年法。目前主要應有的同位素測年方法有U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等幾種方法（溫春齊等，2009）。

2. 同位素測年法

2.1 基本原理

假設巖石或礦物形成時，含有少許的放射性母體同位素。伴隨時間流逝，該母體同位素自然衰變，含量逐漸減少，由此形成的子體同位素則逐漸增多。通過測量儀器準確測定巖石或礦物中放射性母體以及衰變形成的穩(wěn)定子體同位素的含量，通過公式（1）即可計算出所測巖石或礦物的同位素年齡。它一般代表了經過某一地質作用形成的巖石或礦物中所測同位素保持封閉體系以來的時間。

t=1/λ×ln（1+D*/N） （1）

其中D*=N0—N=N0（1—e—λt）=N（eλt—1）

λ為衰變常數、N0為t=0時放射性母體原子數、N為t時放射性原子數

2.2 基本條件

應用同位素測年法需滿足一定的條件，主要有：

（1）巖石或礦物自形成后應保持封閉體系，無母、子體同位素的加入或丟失。

（2）選定用來測年的放射性母體同位素應有適宜的半衰期，其與所測地質體或地質事件的年齡差距不大，且半衰期和衰變常數目前已知或能精確測定。

（3）準確了解放射性母體同位素的相對豐度，且目前已有精確測定巖石或礦物中母體及子體同位素含量的方法。

（4）精確測定或能有效校正巖石或礦物形成時就已經存在的子體同位素的初始含量。

上述四個方面，既是作為同位素測年法的基本假設前提，也是同位素測年法的限制條件。根據不同的地質背景和研究目的，選擇恰當的測年方法，是取得可靠地質年齡信息的重要前提。

2.3 U-Pb法

U-Pb法是最早用來測定地質年齡的放射性同位素測年方法之一，也是目前應用范圍最廣的同位素測年方法。

測試樣品主要是選擇晶質鈾礦、瀝青鈾礦、鋯石、榍石、磷灰石、金紅石、獨居石等含U、Th含量高的副礦物，常用礦物為鋯石。采樣時必須選擇新鮮露頭，避免在受構造或后期巖漿活動影響的地段取樣；必須仔細分離單礦物，避免外來樣品的混染，剔除掉含有包裹體雜質的不純鋯石或其他副礦物，測定時只留下純凈的鋯石等副礦物。

目前主要有高靈敏度高分辨率離子探針質譜計法（SHRIMP）、鋯石激光剝蝕法（LA-ICP-MS）、鋯石TIMS稀釋法、鋯石TIMS蒸發(fā)法等（陳文等，2011）。

一些鋯石的內部微觀結構十分復雜，有的鋯石內部的核具環(huán)帶，而外部則是透明的、無環(huán)帶的變質重結晶邊。由于鋯石化學成分和同位素的不均一性，表面的鈾含量可以成百倍地高于中心部位，從而在一個晶粒的不同部位，U和Pb含量不同，形成單顆粒鋯石的年齡梯度。這些問題給傳統(tǒng)的鋯石U—Pb法定年帶來困難，使得高靈敏度高分辨率離子探針質譜計法（SHRIMP）成為公認最好的U—Pb年代學方法（董樹文等，2005）。

SHRIMP具有高分辨率、高靈敏度、高精度、微區(qū)原位等特點，最大技術優(yōu)勢是不需化學處理可對一個礦物（鋯石、獨居石、榍石、磷釔礦和磷灰石等）的不同部位直接定年?？梢詼y定<2Ma的非常年輕的鋯石年齡。

SHRIMP目前對于一些前寒武紀的鋯石獲得的207Pb/206Pb年齡往往具有較小的誤差，而206Pb/238U年齡的誤差相對較大，這與LAM-ICP-MS測定結果正好相反，所以它一般多用207Pb/206Pb年齡。另外，對于高U鋯石區(qū)，SHRIMP有時往往會得出較高的206Pb/238U年齡。

2.4 Rb—Sr法

87Rb是放射性同位素，它通過發(fā)射一個β-粒子而衰變成87Sr，衰變公式為：87Rb→87Sr+β-++Q，其半衰期為4.88×1010a，可用它測定古生代和前寒武紀的地質事件。

Rb+離子半徑與K+離子半徑相近，所以Rb+能夠在所有含K礦物中置換K+。Rb是一種分散元素，它不形成獨立的礦物。測試樣品有云母、長石、電氣石、角閃石、磷灰石、方解石和石英，閃鋅礦、黃鐵礦等硫化物及全巖（溫春齊等，2009）。

由于87Rb衰變形成87Sr，故Sr同位素豐度是變化的，因此含Rb礦物或巖石中Sr同位素的精確組成取決于該礦物或巖石的年齡及其n（Rb）/n（Sr）值。

t=×ln（1+） （2）

只有當所測定礦物對于Rb、Sr保持封閉，以及給定的值準確時，由公式（2）求得的t值才代表礦物形成以來所經歷的時間（即年齡）。由于這種方法測定年齡時，必須假定而不是測定值，因此又稱為模式年齡。對黑云母、白云母和鉀長石等n（Rb）/n（Sr）值較低的礦物，由于值選擇的偏差，常常產生不一致的模式年齡。

另外黑云母和白云母在變質時可能丟失Sr，此時Rb—Sr測定的年齡值是巖石或礦物最后受熱的年齡。此外在中等熱度條件下，Sr往往并不從巖石里遷出，此時Rb—Sr年齡一般可代表巖漿巖最初結晶的年齡，或者變質巖第一次強烈變質的年齡。如果測試樣品曾受過交代蝕變作用或兩次強烈變質作用，則Rb—Sr測定年齡可能是最后的而不是最初的地質事件。

Rb-Sr法存在的問題：①要求樣品同源、相近的同位素初始值和形成后處于封閉體系，且樣品量較大；②很難科學判定是否應將Rb-Sr等時線上的樣品剔除或保留；③測定包裹體年齡時，很難排除次生包裹體的干擾，并且原生包裹體可能本身就存在不同時代；這些因素決定了在實際工作中很難得到科學的、合理的等時線年齡（叢寶華等，2011）。

2.5 Sm-Nd法

Sm和Nd都是輕稀土元素（LREE），存在于許多造巖礦物中，如硅酸鹽、磷酸鹽和碳酸鹽等。Sm和Nd的化學性質很相似，在地質過程中Sm和Nd不會發(fā)生明顯的分離。地球上巖石和礦物的n（Sm）/n（Nd）值僅變化于0.1～0.5之間。一般而言，巖漿巖分異程度增強，其Sm和Nd含量升高，但n（Sm）/n（Nd）值有所下降。

Sm-Nd之間有兩對母—子體同位素，即147Sm衰變?yōu)?43Nd，以及146Sm衰變?yōu)?42Nd（半衰期1.06×1011a）。146Sm的半衰期較短（1.0×108a），現已衰變完了。

Sm-Nd等時線年齡測年通常是通過分析單礦物或同源同時形成的一套n（Sm）/n（Nd）值變化盡可能大的巖石來實現，等時線條件與Rb-Sr法相同。

Sm-Nd法適合于基性、超基性巖漿巖的定年，而Rb-Sr更適合于酸性、中酸性巖漿巖的定年。更重要的是REE在變質過程、熱液作用和化學風化作用中比Rb、Sr要穩(wěn)定得多，因而對那些已發(fā)生Rb、Sr遷移的巖石仍能用Sm-Nd法進行定年。所以Sm-Nd法可用來測定那些因n（Rb）/n（Sr）值低或對Rb-Sr不再封閉的巖石的年齡。

Sm-Nd法存在的問題：①等時線年齡分辨率較小，一般大于20Ma，因此不能測定年輕樣品；②在熱液活動過程中Sm和Nd也常處于開放體系，造成各種Sm、Nd參數失常，以致無法獲得合理的等時線年齡；③等時線理論上要求樣品同源、具相近的同位素初始值以及形成后處于封閉體系，這些因素決定了在實際工作中很難得到科學的、合理的等時線年齡。

2.6 K-Ar法

K-Ar法是40K通過K層電子俘獲轉變成穩(wěn)定的40Ar從而進行年齡測定的方法。合適的測試對象主要是絹云母、白云母、綠泥石等含K的蝕變礦物或石英等脈石礦物以及石英中的流體包裹體。利用K-Ar法可以對晚新生代以來的年輕樣品進行測定，此外還可以確定成巖時代和成礦年齡。

只有下述條件滿足時才是有意義的年齡值：①礦物中由40K衰變積累的40Ar在地質歷史上沒有因擴散等而丟失，并且礦物結晶后不久即對Ar封閉，也就是礦物結晶后冷卻很快；②在礦物形成和以后的變質事件中沒有外來的40Ar（通常稱為過剩Ar或繼承Ar）加入；③礦物也必須對K保持封閉，K的同位素變化只有由40K衰變引起，而沒有同位素分餾只有發(fā)生；④必須對測定過程中由于儀器內部不可避免地存在的大氣40Ar進行扣除校正。

由于Ar是惰性氣體，在礦物晶格中不與其他原子鍵合，因此Ar丟失是可能發(fā)生的。另一方面，一些含K礦物中發(fā)現存在過剩的放射成因40Ar，在K含量較低或者時代較新的礦物中，過剩40Ar的存在對K—Ar定年的影響最明顯。堇青石、輝石和電氣石經常含有過剩40Ar，而角閃石、長石、金云母、黑云母和方鈉石中較少出現過剩40Ar。過剩40Ar也曾經在金剛石中發(fā)現。一般而言，受Ar分壓高的區(qū)域變質、偉晶巖和金伯利巖影響的礦物往往存在過剩40Ar。

K-Ar法的優(yōu)點：①測定樣品分布廣泛，容易采集，單礦物分選簡便；②用同一樣品與進行Rb—Sr年齡定年相互對比，有利于年齡數據的正確理解；③Ar是氣體元素，質譜計測定的靈敏度高，因而K—Ar法能測定第四紀樣品的年齡。

K-Ar法的不足：①K和Ar采用不同方法和不同儀器分別測定，可能產生不一樣的系統(tǒng)誤差；②樣品一次性全熔，無法對單個樣品作等時線，因此無法判斷初始Ar組成；③并不是所有含鉀礦物都能保存Ar，樣品中丟失Ar的現象比較普遍，使年齡偏低；④沉積巖中適合K-Ar法測定的對象少，常常只有海綠石可能獲得較可靠的年齡；⑤衰變常數有多種，按其計算的年齡之間差異較大。

40Ar-39Ar法采用中子活化技術使待測樣品和已知年齡的標準樣品中的39K轉化為39Ar，采用質譜計直接測定其中的Ar同位素比值。原則上，含有K元素的巖石礦物都可以用于40Ar-39Ar法年齡測定。

40Ar-39Ar法的優(yōu)點：①測定對象廣泛且樣品量較少；②分階段加熱法取得的年齡譜往往能反映該礦物的熱演化史，并且根據等時線獲得的初始值可判斷樣品中是否含有過量Ar。

40Ar-39Ar法的不足：①含鉀礦物粒徑對40Ar/39Ar法有一定的制約。如果測試樣品中有效保存著其中的Ar，并存在過量Ar，則其年齡譜就會變得比較復雜而難以解釋；②測定石英流體包裹體40Ar/39Ar年齡時存在著次生包裹體的干擾問題；③在中子照射過程中，某些樣品（如伊利石）會存在39Ar丟失；④通過測定同一樣品中白云母的40Ar/39Ar年齡和Rb—Sr年齡，高壓地區(qū)礦物的40Ar/39Ar年齡可能存在不可靠性（叢寶華等，2011）。

2.7 Re-Os法

Re-Os測年法是基于放射性的187Re通過β衰變成為187Os來計算地質年齡的，是近二十余年來新興的一種同位素測年方法。

輝鉬礦具有非常高的Re（達μg/g級）而幾乎不含普通Os，測試礦物以輝鉬礦為首選，其次為黃鐵礦、毒砂、黃銅礦、輝銅礦、磁黃鐵礦及鎳黃鐵礦等硫化物和磁鐵礦、鈦鐵礦等氧化物，全巖樣品主要是有機質泥巖、黑色頁巖、輝長巖、橄欖巖、玄武巖和礦石等。樣品要求同源、同時、體系保持封閉等。

野外采樣時應根據接觸關系，在野外劃分出成礦期次，采集同一成礦階段或者同一成礦期次的硫化物礦石（礦化）樣品，以保證樣品的同源性和同時性。采集新鮮樣品，避免后期蝕變及外部污染，盡量不要選擇有后期脈穿插的樣品。用于Re-Os同位素定年的每件樣品一定要單獨分裝，以避免交叉污染（黃小文等，2016）。

目前Re-Os法是能夠直接測定金屬礦床礦化年齡的唯一成熟方法。但是含有輝鉬礦的礦床類型非常有限，該方法的應用受到了一定限制，在實驗技術和應用技術方面還存在著如下不足：①雖然輝鉬礦的Re-Os法測年技術成熟，應用成果也很多，但近年來也發(fā)現有些金屬礦床中的輝鉬礦Re-Os年齡高于其賦礦圍巖的年齡，其原因仍不清楚；②黃鐵礦等多數硫化物礦物含Re量明顯偏低，并含有一定程度的普通Os，一般實驗室難以達到對樣品化學制備過程中低本底的高要求，并且普通Os也難以準確扣除；③后期的熱液活動有時也可以使Os同位素發(fā)生變化，因此，金屬硫化物的Re-Os同位素體系封閉溫度及其影響因素是一個急需解決的問題（陳文等，2011）。另外多數研究只關注年齡及其代表的地質意義，對不同成因硫化物的Re-Os同位素體系及其定年基本條件理解不夠。

隨著實驗儀器精度的不斷提高和實驗室條件的不斷改善，對黃鐵礦、黃銅礦、毒砂等普通硫化物直接進行Re-Os法定年和成礦物質來源示蹤一定擁有很廣闊的應用前景（張?zhí)K坤等，2012）。

3. 結語

一個完整的同位素測年過程至少包括5個步驟：①提出問題；②選定測年方法；③獲取測試樣品；④實驗室內分析測試同位素年齡；⑤解釋數據。其中任何一個步驟出現問題都會導致同位素測年結果出現偏差?？梢钥闯?，同位素測年除了獲得實驗室內的年齡數據，還必須與地質相結合，才能獲得有地質意義的年齡數據并科學解釋這個有地質意義的年齡數據。簡而言之，同位素測年既不是單純的同位素年齡測定的技術問題，也不是單純的地質問題，而是兩者的有機結合。要盡可能采取不同的測定方法，得出的結果如果在測試誤差范圍內相一致，這樣才有可能取得與地質事實相吻合的同位素年齡（陳文等，2011；叢寶華等，2011）。

參考文獻：

[1] 陳文，萬瑜生，李華芹，等.同位素地質年齡測定技術及應用[J].地質學報，2011，85（11）：1917—1947.

[2] 叢寶華，曹征，潘佩芬.淺析同位素測年方法及其應用[J].中國西部科技，2011，10（11）：54—55.

[3] 董樹文，陳宣華，史靜，等.國際地質科學發(fā)展方向[M].北京：地質出版社，2005，333—361.

[4] 黃小文，漆亮，高劍峰，等.關于硫化物Re—Os同位素定年的一些思考[J].礦物巖石地球化學通報，2016，35（3）：432—440.

[5] 溫春齊，多吉.礦床研究方法[M].成都：四川科學技術出版社，2009：109—206.

[6] 張?zhí)K坤，鄭有業(yè)，孫祥，等.Re—Os同位素體系在金屬礦床中的應用[J].地質找礦論叢，2012，27（4）：491—497.

[7] 徐向輝， 查道函. 同位素地質年代測定原理——以Rb-Sr法為例[J]. 西部資源， 2012（2）：147-149.