RbSr同位素代学含作业.pptx

5.1 Rb5.1 Rb和和SrSr的地球化学的地球化学Rb是一个碱金属元素，其离子半径(1.48）与K+的离子半径（1.33）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。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 72.1654%87Rb 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。87Rb是放射性同位素，它通过发射一个是放射性同位素，它通过发射一个-粒粒子而衰变为子而衰变为87Sr，即即 87Rb87Sr-Q，半衰期为半衰期为4.881010年（年（Steiger&Jager,1977），），1.421011。Sr是一个碱土金属元素，其离子半径（1.13）稍大于Ca+的离子半径（0.99）。在许多矿物中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 82.53%87Sr 7.04%86Sr 9.87%84Sr 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成岩石中，Rb/Sr比随分异程度增强而增加。5.2 矿物RbSr定年基础矿物中 ，其中，87Sr为矿物中现今的87Sr的原子数总量，87Sri为矿物中87Sr的初始原子数值，衰变常数1.4210-11a-1，t为矿物形成以来所经历的时间。方程两边同除以86Sr(常数，因为是稳定同位素)得：该方程是RbSr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。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（参见同位素稀释法）。RbRbSrSr含量比值与含量比值与8787RbRb8686SrSr同位素原子数同位素原子数比值的关系：比值的关系：式中式中AbAb87Rb87Rb、AbAb86Sr86Sr分别为分别为8787RbRb、8686SrSr的同位素丰的同位素丰度，度，W WRbRb、W WSrSr分别为分别为RbRb、SrSr的原子量。的原子量。值得注意的是，矿物的86Sr丰度和Sr原子量与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。计算得计算得SrSr的原子量为的原子量为87.6167987.61679。下面的例子将说明该计算过程（Faure,1986）：设某样品的同位素组成为：87Sr/86Sr=0.708961,86Sr/88Sr=0.1194,84Sr/88Sr=0.00675,同位素丰度和Sr原子量可按以下计算：u测定了87Sr/86Sr比值、87Rb、86Sr含量，u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：l只有当所给定的(87Sr/86Sr)i值准确、以及所测定矿物对于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）。l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。5.3 火成岩火成岩RbSr等时线定年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，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同位素是均均一一的，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，(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，方程在这些条件下，方程为一条等时线，线上所有的点具有相同的年龄为一条等时线，线上所有的点具有相同的年龄(t)和相同的和相同的(87Sr/86Sr)iy常数常数常数常数x RbSr等等时时线线法法是是测测定定中中酸酸性性岩岩浆浆岩岩年年龄龄的的常常用用手手段段。一一般般来来说说，等等时时线线法法测测定定同同源源火火成成岩岩的的年年龄龄，要要优优于于需需假假定定初初始始比比值值的的模模式式年年龄龄方法。方法。火火成成岩岩全全岩岩等等时时线线不不仅仅给给出出其其结结晶晶年年龄龄，而而且且还还给给出出其其初初始始比比值值。此此外外，数数据据点点线线性性拟拟合合的程度还可检验样品是否保持封闭。的程度还可检验样品是否保持封闭。图 尼日利亚Liruei深成岩体黑云母花岗岩全岩RbSr等时线（van Breemen et al.,1975)对于基性岩浆岩，由于对于基性岩浆岩，由于RbRb含量低，含量低，RbRbSrSr定定年较为困难，可用年较为困难，可用SmSmNdNd法、法、K(Ar)-ArK(Ar)-Ar法进法进行定年。行定年。对岩浆岩的定年，还可用富含对岩浆岩的定年，还可用富含U U或或ThTh的副矿的副矿物物(通常常用锆石通常常用锆石)作作U UPbPb同位素定年。同位素定年。未受变质作用影响的火成岩矿物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 5.4 沉积岩的定年沉积岩的定年 碎碎屑屑沉沉积积岩岩主主要要由由碎碎屑屑组组成成，沉沉积积过过程程中中，粗粗碎碎屑屑不不可可能能发发生生SrSr同同位位素素均均一一化化，因因此不能进行此不能进行Rb-SrRb-Sr同位素定年。同位素定年。沉积岩定年比较困难，因为：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）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）化学沉积岩或化学成分(如碳酸盐如碳酸盐)不太适合不太适合定年，或者对母子体元素不封闭（蒸发岩）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），伊利石），或夹有火山岩（熔岩或凝灰岩），就有可能成功地定年。就有可能成功地定年。5.4.1海绿石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RbSr法测定沉积年龄。通常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。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RbSr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同位素平衡图 得克萨斯Llano隆起晚寒武纪Riley组砂岩中重结晶海绿石RbSr等时线，年龄42917Ma小于估计沉积年龄515Ma，说明重结晶的海绿石的RbSr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RbSr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。l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RbSr定年，锆石的UPb定年，l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KT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RbSr等时线年龄：63.70.6Ma 与透长石的KAr年龄：64.61.0Ma锆石UPb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RbSr等时线5.4.3 5.4.3 页岩页岩细粒未变质的碎屑岩如页岩，已多次被证明在细粒未变质的碎屑岩如页岩，已多次被证明在RbRbSrSr等时线图上能构成直线。这种等时线图上能构成直线。这种“等时线等时线”年年龄不太好解释，因为同位素均一化不一定与沉积龄不太好解释，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，时间有关，而可能由成岩作用、重结晶作用引起，这样这样“等时线等时线”年龄可能小于实际沉积年龄。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另一方面，不完全同位素均一化的老碎屑(如白如白云母云母)的存在，可能使的存在，可能使“等时线等时线”年龄大于沉积年龄大于沉积年龄。年龄。对对页页岩岩全全岩岩RbRbSrSr等等时时线线年年龄龄解解释释的的不不确确定定性性，可可以以通通过过下下述述方法加以避免方法加以避免:l粒粒径径小小于于2 2 m m的的伊伊利利石石粘粘土土矿矿物物的的RbRbSrSr、K KArAr年年龄龄代代表表了了沉沉积积或或成成岩岩作作用用年年龄龄。这这部部分分粘粘土土或或者者是是沉沉积积自自生生的的，或或者者是沉积和成岩过程中转变的。是沉积和成岩过程中转变的。l粗粒部分可能以碎屑粘土为主而导致老于沉积时代。粗粒部分可能以碎屑粘土为主而导致老于沉积时代。l伊伊利利石石有有几几种种多多形形，即即1m1m、1md1md和和2m2m。1m1m和和1md1md是是低低温温形形成成的的，即即是是自自生生的的或或成成岩岩作作用用产产生生的的；而而2m2m形形成成温温度度高高于于250250，表表明曾经经历了变质作用，故不能提供沉积时代信息。明曾经经历了变质作用，故不能提供沉积时代信息。一般的自生或转变的粘土矿物的KAr年龄小于RbSr年龄。因为前者代表了成岩作用的结尾，而后者代表了早期成岩作用时间。因而RbSr年龄较KAr年龄更接近沉积时间。此外，利用砂岩中碎屑白云母、钾长石的RbSr法及锆锆石石的的U UPbPb法法有可能测定碎屑源源区区的年龄，前提是：l在风化搬运过程中，这些矿物颗粒对RbSr保持封闭l成岩作用过程中,这些矿物没有发生蚀变和次生加大生长l这些矿物的源区有相似的年龄和初始比值确定沉积岩时代的其它方法：碳酸盐UPb同位素富有机质黑色页岩ReOs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 变质岩的变质岩的RbSr定年及其意义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/86Sr87Sr/86Sr坐标系中该套岩石分布在一条等时线上。对于一块手标本中的各种矿物，也是如此，具有相同的初始比值，由于各矿物Rb含量不等，经历一个时期后，各矿物在87Rb/86Sr87Sr/86Sr 坐标系中构成一条等时线，若没有受到后期变质作用，则全岩和矿物等时线应该重合。矿物1矿物2矿物3变质作用对岩石中的母-子体同位素体系有明显的影响，温度仅升高100-200oC：矿物或岩石组构没有明显变化，但同位素体系已发生剧烈变化。这可能与离子穿过矿物晶格和矿物颗粒边界的扩散速率随温度升高而增加有关。此外，l母、子体同位素属于不同的元素，具有不同的电荷和离子半径，l衰变产生的能量可使晶格局部位移或破坏，这些都使子体元素容易迁出母体所在矿物。就Rb-Sr体系而言，在远低于熔融温度的变质热事件中，全岩和矿物对变质作用的响应会有不同：l富Rb矿物产生的87Sr倾向于迁出该矿物，在岩石中的流体保持静态的状况下，这些迁出的87Sr往往被紧邻的斜长石或磷灰石等所吸收。l对于全岩来说，仍然保持封闭状态。因此手标本范围内的矿物之间的87Sr/86Sr容易被均一化，但全岩Rb-Sr同位素体系仍保持不变。均一化以后的87Sr/86Sr比值一般高于岩浆结晶时的初始比值。变质热事件过后，各矿物87Sr/86Sr比值在此均一化比值基础上再次不同程度地增长。这时测得的矿物等时线与全岩等时线具有不同的斜率和截距 l矿物等时线年龄指示变质作用年龄，截距为变质均一化时的87Sr/86Sr比值，l全岩等时线代表岩浆结晶年龄及其初始比值。这种情况往往发生在低绿片岩相变质作用阶段。若变质作用很轻微，则不能使矿物之间发生完全的Sr同位素均一化，矿物不能构成等时线。这时全岩仍能给出结晶年龄，若岩石化学成分发生了变化，Rb、Sr发生了带进、带出，则不能用RbSr法定年。u若变质作用达到中高级绿片岩相以上，则Sr同位素将可能在全岩范围内发生均一化。这时全岩等时线就代表该变质作用的年龄。u若经历多次变质作用，矿物内部等时线往往代表最后一次退变质作用的时间，而全岩等时线往往代表主期变质作用的时间。实际情况有时是很复杂的，不能这样简单化，有时要采用多种同位素定年方法。图 英国苏格兰北部高地花岗岩全岩及矿物RbSr等时线，全岩等时线年龄代表岩石结晶年龄，矿物等时线年龄代表热变质年龄图 西南格陵兰Amitsoq片麻岩全岩Rb-Sr等时线，年龄代表了花岗质火成岩变质形成片麻岩的年龄对于沉积变质岩，由于绿片岩相以上变质作用往往可使全岩Sr同位素均一化，因而：全岩等时线代表了变质作用的时间，矿物内部等时线代表最后一次退变质作用的时间。成矿作用定年：热液成因石英中流体包裹体Rb-Sr等时线定年（但流体包裹体为何在具有不同的Rb/Sr比值的同时，却具有相同的87Sr/86Sr初始比值这问题有待进一步解释）热液成因黄铁矿Rb-Sr等时线定年（存在与上述类似的问题）赣南淘锡坑钨矿含矿石英脉Rb-Sr 等时线图（郭春丽等，2007）祁雨沟豫西金矿黄铁矿样品Rb-Sr 等时线（据韩以贵等，2007）Coy Mine，Mississippi Valley Type(MVT)leadzinc deposit from Tennessee.After Nakai et al.(1990).377 29 Myr(2)MSWD=62.6闪锌矿流体包裹体流体包裹体习题习题:已知已知:(87Rb)=1.4210-11y-1;86Sr/88Sr=0.1194,84Sr/88Sr=0.006756;原子质量原子质量:88Sr=87.9056 amu,87Sr=86.9088 amu,86Sr=85.9092 amu,84Sr=83.9134 amu;85Rb/87Rb=2.59265,原子量原子量Rb=85.46776.测得一花岗岩中三种矿物的数据如下测得一花岗岩中三种矿物的数据如下:Rb,ppm Sr,ppm87Sr/86Sr白云母白云母238.4 1.80 1.4125黑云母黑云母 1080.9 12.8 1.1400钾长石钾长石121.9 75.5 0.7502假定初始假定初始87Sr/86Sr=0.704，计算三个矿物的模式年龄，计算三个矿物的模式年龄.为什么这些模式年龄不一致为什么这些模式年龄不一致?把三个矿物的数据投到等时线图上，计算最小二乘法计算把三个矿物的数据投到等时线图上，计算最小二乘法计算等时线的斜率和截距，并从斜率计算年龄等时线的斜率和截距，并从斜率计算年龄.思考题：思考题：1、等等时时线线年年龄龄与与模模式式年年龄龄有有什什么么差差别别？等等时时线定年有哪些优势？线定年有哪些优势？2、等时线定年需要满足哪些前提条件？、等时线定年需要满足哪些前提条件？混合线混合线设1和2两个端元的87Sr/86Sr 和 87Rb/86Sr 不同，两个端元混合后的87Sr/86Sr可以写为：记 f=(86Sr)1/(86Sr)1+(86Sr)2，Y=87Sr/86Sr，则上式为：Ymixture=Y1f+Y2(1-f)类似地，记 X=87Rb/86Sr可以写出以下方程：Xmixture=X1f+X2(1-f)以上两式消去f,得：Ymixture=Y1f+Y2(1-f)在(X，Y)图上，这是一条通过(X1，Y1)和(X2，Y2)两点的直线方程，其斜率为(Y1-Y2)/(X1-X2)，它与(et-1)无关，即与年龄无关。（注意以上方程与同位素稀释法相同。）混合作用是一种非常普遍的地质现象，例如：岩浆侵位时同化围岩；沉积岩总是碎屑组分和化学沉积组分的混合物，等等。当混合作用发生时，同时发生同位素均一化作用，则混合作用不影响等时线定年，就像没有混合作用一样，但混合作用有可能由等时线初始比值探测出来。当两个端元混合时没有达到同位素均一化，如混合温度较低（例如沉积作用），或降温太快（例如火山喷发），就产生混合线。混合作用的探测：混合作用的探测：RM、R1、R2代表混合物和两个端元的同位素比值新式中比较原式中f=(86Sr)1/(86Sr)1+(86Sr)2不同端元组分86Sr丰度变化很小的话，上述两个f实质相等该式中m1、C1分别是端元组分1的质量和元素浓度；m、CM分别是混合物的质量和元素浓度RM=R1f+R2(1-f)将混合方程 Ymixture=Y1f+Y2(1-f)改写为：RM=R1f+R2(1-f)得：即：把 代入若设m1/m=；则另外，混合物中元素的浓度可以写为：CM=C1+C2(1-)或 跟上式连立消去并化简得：其中=m1/mA、B是由R1、R2、C1、C2构成的常数，故上式在R1和（1/CM）坐标系中为一直线。即某体系的一元素的同位素比值与该元素浓度的倒数成直线关系的话，该体系是两元混合而成。见下页此式中据Lancelot and Allegre(1974)，东非火成碳酸岩的Pb同位素在（207Pb/204Pb，206Pb/204Pb）图中构成一直线，对应年龄为1300Ma，但实际上是近代形成的。在（206Pb/204Pb，1/Pb）图中数据也构成一直线，显示是两元混合的产物。Carbonatites of Uganda.After Lancelot and Allegre(1974).