南京大學(xué)同位素地質(zhì)學(xué)-10-k-ar-ar-ar同位素年代學(xué)含作業(yè)

1、10、K-Ar法和Ar-Ar法 同位素年代學(xué),1、地球化學(xué)性質(zhì) K是IA族堿金屬元素，是地殼中8種最豐富的元素之一，是許多造巖礦物（如：云母、鉀長石、粘土礦物和某些蒸發(fā)鹽礦物）的主要成分。,K有3個(gè)天然出現(xiàn)的同位素，其豐度如下：39K 93.2581%（穩(wěn)定）；（輻照可轉(zhuǎn)變?yōu)?9Ar）40K 0.01167%（放射性）41K 6.7302% （穩(wěn)定）由此計(jì)算得原子量為39.0983（Garner et al

2、., 1975）。,Ar是一個(gè)惰性氣體元素，原子量為39.948，Ar在地球大氣中的含量為0.93%。根據(jù)Nier (1950)的測定，地球大氣中Ar的同位素豐度為：40Ar 99.60%38Ar 0.063%36Ar 0.337%因而大氣40Ar/36Ar=295.5。,2、K-Ar法定年放射性的40K 分支衰變?yōu)?0Ca和40Ar：,比較：lRb=1.42×10-11a-1lSm=6.54×10-

3、12a-1,,40K的相對(duì)豐度僅0.01167%，40K(中的88.84%)衰變形成的40Ca，在大多數(shù)巖石中被非放射成因的40Ca所淹沒，故放射成因的40Ca的豐度在大多數(shù)巖石中的變化很小。加之自然和工業(yè)過程中Ca同位素會(huì)發(fā)生分餾，因此這一衰變母-子體定年方法只有很局限的應(yīng)用。本課不擬介紹。,40K中雖然只有11.16%衰變?yōu)?0Ar，但由于Ar是稀有氣體，其中放射成因Ar占主導(dǎo)。故K-Ar法定年是最早發(fā)展起來并被廣泛應(yīng)用的方法之

4、一。,在一個(gè)含K的封閉體系中，放射成因40Ar和40Ca的增長可表達(dá)為： 40Ar* + 40Ca* = 40K (e?t -1) （1）式中?是40K的總衰變常數(shù)，? = ?e + ?? = 5.543?10-10a-1。衰變?yōu)?0Ar的那部分40K原子數(shù)為(?e/?)40K。因此含K礦物或巖石中總40Ar為：40Ar = 40Ari + (?e/?) 40K (e?t -1) （2）,40Ar

5、= 40Ari + (?e/?) 40K (e?t -1) (2)如果礦物或巖石形成時(shí)完全去氣，不存在初始40Ari，即所含氬都為放射成因40Ar*：40Ar* = (?e/?) 40K (e?t -1) (3)式（3）即為K-Ar年齡方程。,40Ar* = (?e/?) 40K (e?t -1) (3)通過測定含K礦物中的K含量和放射成因40Ar的量，即可從此方

6、程求得t：,由此求得的t 只有當(dāng)下述條件滿足下才是有意義的年齡值：條件1： 礦物結(jié)晶后不久即對(duì)Ar封閉（礦物結(jié)晶后冷卻很快）；條件2：礦物在形成時(shí)及其以后沒有外來40Ar（通常稱為過剩Ar或繼承Ar）加入，也沒有因擴(kuò)散等而丟失。,條件3：礦物也必須對(duì)K保持封閉，K同位素相對(duì)豐度的變化只由40K衰變引起，而沒有同位素分餾作用發(fā)生；條件4：必須能夠?qū)y定過程中由于儀器內(nèi)部不可避免地存在的大氣40Ar進(jìn)行扣除校正。,由于Ar是惰性氣體，

7、在礦物晶格中不與其它原子鍵合，因此Ar丟失是可能發(fā)生的。要使K-Ar定年結(jié)果有意義，所選礦物和巖石必須含有一定量的K并不易發(fā)生化學(xué)變化?；鹕綆r中的長石、黑云母和角閃石是K-Ar定年最有用的礦物。深成巖和變質(zhì)巖中的這些礦物也被用來進(jìn)行K-Ar定年。,Hart（1964）對(duì)受新生代巖枝侵入熱影響的前寒武紀(jì)變質(zhì)巖的礦物K-Ar定年研究表明，角閃石抵御熱擾動(dòng)而保存Ar的能力最強(qiáng)，黑云母次之，鉀長石最差。沉積巖中最合適的是含有海綠石的巖石。

8、,由于全巖抵御熱擾動(dòng)保存Ar的能力最差，因此K-Ar定年中，只有當(dāng)所有礦物相都太細(xì)而無法分離時(shí)，才采用全巖樣品。一般而言，K-Ar年齡代表礦物/巖石冷卻到Ar擴(kuò)散丟失微乎其微的溫度以來所經(jīng)歷的時(shí)間。,另一方面，一些含K礦物中發(fā)現(xiàn)存在過剩的40Ar，在K含量較低或較年輕的礦物中，過剩40Ar的存在對(duì)K-Ar定年的影響最明顯。堇青石、輝石和電氣石經(jīng)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(xiàn)過剩40Ar（York

9、 and MacIntyre, 1965; Livingston et al., 1967）。過剩40Ar也曾經(jīng)在金剛石中發(fā)現(xiàn)（Ozima et al., 1983）。注：所謂過剩40Ar或繼承40Ar，與初始87Sr等的含義相類似。,一般而言，受Ar分壓高的區(qū)域變質(zhì)、偉晶巖和金伯利巖影響的礦物往往存在過剩40Ar；Dalrymple and Moore (1968) 在海底玄武巖中也發(fā)現(xiàn)過剩40Ar，他們認(rèn)為這是在靜水壓力下噴發(fā)的

10、巖漿快速淬火，繼承40Ar沒有象陸上噴發(fā)巖那樣完全去氣的緣故。,3、K-Ar等時(shí)線針對(duì)上述過剩Ar存在使計(jì)算年齡偏老的問題，McDougall et al.(1969) 提出用測定的總40Ar（未經(jīng)大氣Ar校正）除于穩(wěn)定的36Ar對(duì)40K/36Ar作圖，構(gòu)作與Rb-Sr法類似的等時(shí)線。,方程 40Ar = 40Ari + (?e/?) 40K (e?t -1) (2)兩邊除于36Ar，得：,該方程具有以下形式

11、：y = b + xm (5),,(4),y,x,把方程(4)中初始(40Ar/36Ar)i一項(xiàng)擴(kuò)展為包括大氣Ar和繼承Ar兩項(xiàng)：,該方程具有以下形式：y = 295.5 + c + xm （6）,y = 295.5 + c + xm當(dāng)所分析的一套的火山巖樣品來自一個(gè)已完全去氣的單一巖漿體系，則c項(xiàng)為零。因此分析數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的等時(shí)線的截距應(yīng)為295.5，從其斜率可以計(jì)算出

12、火山巖的噴發(fā)年齡。,事實(shí)上，該等時(shí)線是樣品和大氣Ar之間的混合線。圖說明地質(zhì)樣品繼承Ar和分析過程大氣Ar混染的情況，,在只有繼承Ar和放射成因Ar的情況下，數(shù)據(jù)點(diǎn)組成A、B、C排列；,但在發(fā)生不同程度大氣Ar混染的情況下，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)點(diǎn)散布（DEF）的結(jié)果。,原則上，K-Ar等時(shí)線圖上很好的線性分布將給出有意義的年齡和初始Ar同位素比值。然而，由于這種復(fù)雜的大氣Ar混合作用，有時(shí)很好的線性分布的斜率也可能沒有任何實(shí)際意義。盡管如此，對(duì)

13、懷疑有過剩Ar的體系，尤其是深成巖體系，進(jìn)行等時(shí)線圖處理，仍然是一種很好的檢驗(yàn)方法。,K-Ar等時(shí)線法定年可應(yīng)用于除了滿足同時(shí)形成的條件外，還滿足以下兩條件之一的礦物或合適的全巖:進(jìn)入所分析礦物或巖石的初始Ar具有相同的同位素組成所分析的礦物或巖石具有很高的放射成因40Ar，以致于這些礦物或巖石在初始40Ar/36Ar比值方面的差異無關(guān)緊要,K-Ar法最重要的應(yīng)用之一，是用來標(biāo)定海底磁異常條帶的時(shí)標(biāo)。由于從海底取到可進(jìn)行K-Ar定

14、年的新鮮巖石很有限，因此多數(shù)研究集中在對(duì)陸上具有很好磁性地層記錄的玄武質(zhì)熔巖剖面。K-Ar法幾乎是能夠測定年輕玄武巖的唯一方法。自從該方法建立以來，磁異常條帶時(shí)標(biāo)被不斷地用K-Ar法進(jìn)行修訂。,對(duì)于變質(zhì)巖，K－Ar年齡往往代表最后一期變質(zhì)幕的退變質(zhì)作用（ 達(dá)到Ar封閉溫度）的時(shí)間,Ar 丟失事件：科羅拉多一個(gè)年齡為 60 Ma的Eldora二長巖巖枝侵入到 年齡為1450 Ma的角閃巖和片巖中,離開巖枝的距離,1400 Ma,,角閃

15、巖和片巖中礦物K-Ar表面年齡與侵入巖枝接觸帶距離圖. After Hart (1964).,4、40Ar-39Ar定年40Ar-39Ar法與K-Ar法相比，具有下列特點(diǎn)/優(yōu)點(diǎn):能夠克服傳統(tǒng)的K-Ar法因發(fā)生Ar丟失而產(chǎn)生偏差的缺點(diǎn)。只需測定Ar同位素比值，排除了K-Ar法因需用兩份樣品測定K、Ar的絕對(duì)含量、樣品存在不均一性等所產(chǎn)生的誤差。 因此該方法特別適用于很小或很珍貴的樣品的定年,（1）原理含K礦物中的穩(wěn)定同位素3

16、9K可通過在核反應(yīng)堆中受快中子輻照原位轉(zhuǎn)化為39Ar：,這樣，使K-Ar定年中對(duì)K含量的測定轉(zhuǎn)化為對(duì)Ar同位素的測定，從而提高精度（Merrihue and Turner，1966)。,K + n (中子) = Ar + p (質(zhì)子),39Ar是放射性的，但其半衰期 (T1/2=269a)相對(duì)于質(zhì)譜分析過程而言較長，因此可以當(dāng)作穩(wěn)定同位素來對(duì)待。,K + n (中子) = Ar + p (質(zhì)子),39K通過輻照轉(zhuǎn)化為39Ar

17、的產(chǎn)量可表達(dá)為：,式中Δt為輻照時(shí)間，?e是能量為e的中子的通量密度，?e為受能量為e的中子所輻照的截面。計(jì)算39Ar的產(chǎn)量必須是對(duì)整個(gè)中子能量范圍進(jìn)行積分，但這是很難實(shí)現(xiàn)的。因此一般用已知年齡的標(biāo)樣來監(jiān)測反應(yīng)堆中子通量。,自然衰變方程 40Ar* = (?e/?) 40K (e?t -1),兩方程相除得到：,,反應(yīng)堆輻照方程,中括號(hào)內(nèi)的項(xiàng)對(duì)于待測樣品和標(biāo)樣而言，具有相同的值。習(xí)慣上將該項(xiàng)的倒數(shù)用J 表示,,對(duì)標(biāo)樣而言，J可由下

18、式求得（式中t已知）：,,從而，樣品的年齡t可由下式求得：,＝(eλt－1)/J,為了獲得一起放入反應(yīng)堆的每一個(gè)未知樣品的精確J 值，需要同時(shí)放置幾個(gè)標(biāo)樣，每一個(gè)樣品的J 值由相對(duì)于標(biāo)樣放置位置進(jìn)行內(nèi)插獲得（Michell, 1968）。,矯正消除大氣Ar：假定輻照樣品中39Ar由39K與中子反應(yīng)產(chǎn)生（大氣中沒有39Ar）40Ar由從40K衰變產(chǎn)生的、以及分析過程中混染的大氣Ar兩部分組成，36Ar完全來自大氣。則式,中的40A

19、r*/39Ar可通過以下大氣Ar矯正獲得。,大氣40Ar的矯正：,對(duì)于礦物年齡大于1Ma 并且K/Ca比值大于1，只需作大氣Ar矯正（Mitchell，1968)。,36Ar完全來自大氣, 因大氣40Ar/36Ar=295.5,但在反應(yīng)堆中輻照39K的過程中，中子與Ca的同位素反應(yīng)產(chǎn)生一些起干擾作用的Ar同位素（ 36Ar、37Ar、39Ar )。因此，對(duì)于年齡小于1Ma 并且K/Ca比值小于1的礦物樣品，必須進(jìn)行干擾Ar同位素的矯正

20、（Brereton , 1970; Dalrymple and Lanphere, 1971)：,式中37Ar/39Ar是從樣品中測定的用于監(jiān)測干擾的Ar同位素比值，由于37Ar是放射性的（T1/2=35天），故該比值必須進(jìn)行從輻照至質(zhì)譜分析這段時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的37Ar的衰變校正；式中(36Ar/37Ar)Ca、(39Ar/37Ar)Ca和(40Ar/39Ar)K 分別是輻照過程中從Ca和K所產(chǎn)生的這些同位素的比值，可分別用純Ca鹽和純

21、K鹽經(jīng)反應(yīng)堆輻照后測定，它們反映了反應(yīng)堆中子通量特征。,(2) 逐級(jí)加熱分析技術(shù)40Ar-39Ar方法將樣品的39K原位轉(zhuǎn)化為了39Ar.而礦物或巖石中不同區(qū)域的Ar，有可能被分階段釋放出來，并且恢復(fù)每一階段所包含的年齡信息。,與傳統(tǒng)的“全熔”技術(shù)相比，該技術(shù)的優(yōu)越性在于其逐步去氣可以識(shí)別樣品中可能存在的異常子系統(tǒng)，從而有可能把它們排除在樣品的正常部分以外。該方法通常用于遭受過Ar丟失的單礦物或全巖樣品，并且也有助于對(duì)存在繼承Ar

22、的樣品的解釋。,在部分遭受擾動(dòng)的樣品中，最易發(fā)生Ar擴(kuò)散丟失的區(qū)域（如礦物晶體的邊部），在較低的溫度下就釋放Ar；而那些對(duì)Ar禁錮較牢的區(qū)域 (抵御擾動(dòng)也較強(qiáng))，在溫度較高時(shí)間才釋放Ar。,為理解受擾動(dòng)樣品的歷史，對(duì)逐級(jí)加熱分析的結(jié)果，可用下述兩方式之一來處理/表述：Ar(K)-Ar等時(shí)線圖（相似于傳統(tǒng)K-Ar法對(duì)一套樣品分析結(jié)果的處理），對(duì)研究有繼承Ar的樣品很有用;年齡譜圖：對(duì)評(píng)估Ar丟失更有用。,Ar(K)-Ar等時(shí)線圖（相

23、似于傳統(tǒng)K-Ar法對(duì)一套樣品分析結(jié)果的處理），對(duì)研究有繼承Ar的樣品很有用,圖顯示了 Bjurbole 隕石的逐級(jí)加熱分析結(jié)果，數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線分布顯示了該隕石的單階段封閉體系歷史。等時(shí)線初始40Ar/36Ar比值是初始Ar和大氣Ar的混合體的值。,（據(jù)Merrihue and Turner, 1966）,作業(yè)：推導(dǎo)此公式,,反轉(zhuǎn)等時(shí)線圖,設(shè)想一個(gè)樣品中的Ar是放射成因Ar和捕獲Ar兩組分的混合物。這樣逐步釋放的各部分Ar應(yīng)該在左圖上投在一

24、條直線上，放射成因Ar組分的 36Ar/40Ar = 0 (因?yàn)?6Ar不是衰變產(chǎn)生的), 而捕獲Ar即非放射成因Ar可以從39Ar/40Ar 外延到 0而得到 (對(duì)應(yīng)于39K/40Ar = 0，因?yàn)?9K 與 40K正相關(guān), 因此它也對(duì)應(yīng)于40K/40Ar = 0).,From White，2000,39Ar/40Ar*,,?,反轉(zhuǎn)等時(shí)線揭示存在兩個(gè)過剩Ar組分 (b) 同一樣品的Ar坪年齡圖,From White, 2000,年

25、齡譜圖（對(duì)評(píng)估Ar丟失更有用）,為了構(gòu)筑年齡譜圖，每升高一級(jí)溫度所釋放的氣體量在質(zhì)譜儀器中用39Ar離子流的強(qiáng)度來度量。每一級(jí)釋放的氣體畫作一橫檔（沿x軸方向），其長度代表其占樣品釋放39Ar總量的分?jǐn)?shù)，其在y軸方向上的高度位置等于矯正后的40Ar*/39Ar比值（此比值與年齡正相關(guān)）。,圖兩個(gè)得克塞斯玻隕石的理想的40Ar/39Ar年齡譜（據(jù)York, 1984）,從年齡譜圖上確定可靠的結(jié)晶年齡取決于識(shí)別出一個(gè)年齡平臺(tái)。年齡平臺(tái)的嚴(yán)格

26、標(biāo)準(zhǔn)，是一系列連續(xù)逐級(jí)釋放具有相似40Ar*/39Ar比值（在平均值的2?標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi)）的Ar占總釋放Ar量的50%以上（Dalrymple and Lanphere, 1974; Lee et al., 1991）。但在許多情況下，確認(rèn)年齡平臺(tái)沒有那么嚴(yán)格。,沒有受到風(fēng)化影響的玻隕石能產(chǎn)生完滿的年齡平臺(tái)（如圖）。但40Ar-39Ar法最有用的應(yīng)用是研究歷史復(fù)雜、有后期Ar丟失的樣品。,Ar 丟失事件：科羅拉多一個(gè)年齡為 60 Ma的

27、Eldora二長巖巖枝侵入到 年齡為1450 -1600Ma的角閃巖和片巖中,離開巖枝的距離,1400 Ma,,角閃巖和片巖中礦物K-Ar表面年齡與侵入巖枝接觸帶距離圖. After Hart (1964).,巖枝鄰區(qū)變質(zhì)巖中角閃石、黑云母、長石的坪譜圖， Berger (1975) 得出結(jié)論認(rèn)為角閃石能夠給出表面上很好而實(shí)際無意義的年齡，這使得僅依靠角閃石年齡來進(jìn)行地質(zhì)解釋是危險(xiǎn)的。Berger 認(rèn)為黑云母的部分重置都產(chǎn)生容易辨認(rèn)的

28、不規(guī)則坪譜圖 ，因此黑云母的坪年齡比較可靠。,,,Distance (meter),①,②,③,逐步加熱定年的理論前提沒有考慮輻照核反應(yīng)(n, p)過程中質(zhì)子釋放時(shí)的后坐力可能至39Ar丟失或再分布的情況 如果有相當(dāng)一部分39Ar 丟失了, 40Ar/39Ar升高從而定年結(jié)果老于地質(zhì)年齡,輻照過程中質(zhì)子釋放至39Ar丟失對(duì)定年影響,K + n (中子) = Ar + p (質(zhì)子),質(zhì)子釋放后坐力至39Ar丟失效應(yīng)的大小取決于含K

29、礦物顆粒的大小，礦物顆粒小效應(yīng)則大。坪年齡圖型式為低溫部分40Ar/39Ar高，數(shù)據(jù)在中溫部分趨向“真實(shí)坪年齡”,過剩40Ar坪年齡圖型式含有過剩40Ar的礦物的傳統(tǒng)K-Ar 定年結(jié)果老于礦物冷卻年齡，無實(shí)際意義。40Ar/39Ar逐步加熱法獲得的坪年齡圖有時(shí)能夠探測過剩40Ar的存在：即馬鞍形(saddle-shaped)的坪年齡圖(下圖)表示有過剩40Ar存在。,從馬鞍形圖上無法獲得有意義的年齡。用等時(shí)線法有可能獲得有意義的

30、年齡值。,對(duì)逐級(jí)加熱分析的結(jié)果處理方法效果小結(jié)：Ar(K)-Ar等時(shí)線圖：對(duì)研究有繼承Ar的樣品很有用;年齡譜圖：對(duì)評(píng)估Ar丟失更有用。,40K-40Ar、39Ar-40Ar 法 定年小結(jié),如在常溫下，40Ar的擴(kuò)散系數(shù)D為10-20cm2s-1量級(jí)，在1Ga時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散的距離為x≈(D×t)1/2：x≈(3×107×109×10-20)1/2=0.005cm但在250℃時(shí)（相當(dāng)于低級(jí)變質(zhì)作

31、用）， 40Ar的擴(kuò)散系數(shù)為10-12cm2s-1量級(jí)，則在100Ma時(shí)間內(nèi)： x≈(3×107×100×106×10-12)1/2=54cm. 此結(jié)果表明，此條件下所有礦物體系對(duì)Ar都是開放的?！咀ⅲ哼@樣的溫度、時(shí)間條件對(duì)應(yīng)于地殼10Km深度的巖石，如一個(gè)花崗巖由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生褶皺或由于沉積盆地形成過程中被上覆沉積巖層覆蓋】,對(duì)于大于10億年的樣品，40K-40Ar不能提供可靠的年齡數(shù)據(jù)，