Rb同位素是怎么测定年龄的?
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发布时间：2024-08-23 06:33
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时间：2024-09-01 03:06
6.2.2.1 Rb-Sr法年龄测定
Rb有两个天然同位素，85 Rb（原子丰度为 72.15%）和87 Rb（原子丰度为27.85%）其中前者为稳定同位素，后者为放射性同位素。Sr 有四种同位素，它们均是稳定同位素，相对丰度为：84 Sr，0.56%；86 Sr，9.86%；87 Sr，7.02%；88 Sr，82.56%。这四种同位素中，87 Sr 除了宇宙成因外，还有由87 Rb经β-衰变生成的放射成因的87 Sr，因此，自然界中87 Sr的丰度在不断增长。而84 Sr、86 Sr、88 Sr只有宇宙成因的，因此，它们的原子总数是基本不变的。
Rb在岩石和矿物结晶时进入矿物，其中87 Rb 按放射性衰变规律随时间推移作负指数衰减，同时放射成因的87 Sr则不断积累。如果两者都能在岩石和矿物中很好保存，只需准确测定样品中现今的87 Sr含量，便可按同位素年代学基本公式计算岩石或矿物的结晶年龄。Rb-Sr法测定地质年龄的原理基于87 Rb 经过一次β衰变生成稳定的87 Sr，即：
地球化学
式中：β-为负电子；v为反中微子；E为衰变能。考虑到在所研究的地质样品中，可能含有初始锶（87 Sr）0，根据衰变定律，并考虑样品中初始87 Sr同位素，则：
地球化学
由于86Sr是稳定同位素，而且不可能由任何其他元素的同位素衰变生成，因而将86Sr的原子数作为一个常数去除（6.21）式中的每一项，等式仍成立：
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这是Rb-Sr法测年的基本公式。（87 Sr/86 Sr）S是样品现今的比值，由质谱直接测定；（87 Rb/86 Sr）S为样品现今的87 Rb与86 Sr同位素原子数比，分别通过同位素稀释法计算获得；（87 Sr/86 Sr）0为样品形成时的初始锶同位素比值；λ为87 Rb的衰变常数；t 为样品年龄，即矿物和岩石形成以来所经历的时间。
含钾矿物是Rb-Sr法测年的主要对象，如果矿物样品中的（87 Sr/86 Sr）0为0或相对87 Sr/86 Sr比值来说可忽略不计，如钾长石、白云母、锂云母、天河石、铯榴石、海绿石、钾盐、光卤石等，可利用（6.22）式直接计算矿物的年龄。一般岩石和矿物结晶时，在结构中总要混入一定数量的初始（87Sr/86Sr）0，为此，必须对初始同位素比值做出一个适当的估计。
福尔和鲍威尔（1972）认为：来自地壳源的地质体其初始比值平均为（87Sr/86Sr）0=0.712；幔源的地质体中（87Sr/86Sr）0=0.699。亦可采用与被测矿物共生的富Sr而贫Rb矿物的87Sr/86Sr测定值来作为初始同位素比值。这种用假定初始87Sr/86Sr比值的方法计算出来的同位素年龄称为“模式年龄”。其计算公式即为式（6.22）。实际上，自然界中由于组成岩石和矿物的物质来源不同，混入的初始同位素比值也各不相同，加上后期作用的叠加，情况就更复杂了。因此这种用假定初始同位素比值计算的模式年龄往往带有地质意义的不确定性。
为了避免因初始锶同位素比值的估计引起的误差，人们设计了一组全岩样品的 Rb-Sr等时线年龄测定方法，其原理是：①所研究的一组样品（岩石或矿物）具有同时性和同源性；②岩石或矿物形成时 Sr同位素组成在体系内是均一的，因而有着相同的87 Sr/86 Sr初始同位素比值；③体系内化学成分不均一，Rb/Sr比值有差异；④自结晶以来，Rb、Sr保持封闭，没有与外界发生物质交换。
在以上前提下，式（6.22）是具斜率、截距形式的一次线性方程：
地球化学
式中：y=（87Sr/86Sr）S；x=（87Rb/86Sr）S；a=eλt-1；b=（87Sr/86Sr）0。式（6.23）是y的一次线性方程，直线的斜率为a，截距为b。通过对地质体一组样品实测的现今87Sr/86Sr比值和87Rb/86Sr比值作图（图6.2），可拟合得到一条直线，通过该直线可求解a和b，由于a=tgθ=eλt-1，可以计算出等时线年龄t。直线的截距b=（87Sr/86Sr）0是一个重要的地球化学示踪参数。
在等时线的拟合中，早期采用最小二乘法或图解法，但这些方法难以对等时线的质量进行评价。目前一般采用 York 方程进行双回归误差分析，拟合求解直线斜率和截距，同时给出一个等时线拟合参数（MSWD）。MSWD值是评价等时线质量的一个重要参数，该值越小，等时线质量越好。当存在地球化学误差时，MSWD＞1；当不存在地球化学误差时，MSWD≤1。
图6.2 Rb-Sr同位素等时线图
在实际中常会遇到某些地质体同位素组成较均一，各全岩样品的w（Rb）/w（Sr）比值差异较小，因而难以形成等时线。在这种情况下，可以将全岩和该岩石中选出来的单矿物组合起来构成全岩+矿物等时线，来获得年龄信息，这种等时线称内部等时线。在一般情况下，内部等时线年龄值低于全岩等时线，它代表岩石中矿物的平均结晶年龄。
地质过程的复杂性往往导致在某些情况下所获得的全岩 Rb-Sr等时线并不是真正有年龄意义的等时线，而是假等时线或混合等时线，这种等时线年龄是没有地质意义的。造成这一结果的主要原因是所测定的样品不满足 Rb-Sr等时线同源性的前提条件，如岩浆源区中存在两端元不均一的混合作用或岩浆上升过程中与围岩发生了同化混染等。因此，对获得的等时线必须加以检查。一个简便的方法是利用87 Sr/86 Sr原子丰度比值对1/w（Sr）作图，如果在该图上样品投点是一条直线，则表明所获得的等时线为假等时线。也可以用其他年代学方法获得的结果来检验、判断所获等时线是否为假等时线。
Rb-Sr等时线法主要适用于测定基性、中性和中酸性岩浆岩的形成年龄。变质作用过程变质岩原岩的Rb-Sr同位素系统被改造，因此等时线年龄往往不能提供变质岩原岩形成年龄的信息，只代表变质事件的年龄或无意义的年龄信息。Rb-Sr全岩等时线法很少用于沉积岩年龄测定，如采用该方法，应采集其中的自生粘土矿物而尽可能避免使用全岩样品，因为全岩样品含有较多的碎屑矿物（如云母和长石等），会对测定年龄值产生明显影响，为了合理解释粘土矿物Rb-Sr年龄数据的意义，还必须对矿物进行详细研究。
6.2.2.2 Sr同位素地球化学
同位素年代学发展的趋势是注重同位素体系的演化，只有将同位素研究的计时作用和示踪作用结合起来，才有可能揭示整个地球历史的演化过程。体系中Sr同位素初始比值（87Sr/86Sr）0是一个重要的地球化学示踪参数，不同的地球化学储存库的（87Sr/86Sr）0比值是不同的。（87Sr/86Sr）0对示踪物质的来源、壳幔物质演化及壳幔相互作用等均具有重要意义。
研究地球物质的（87Sr/86Sr）0演化，必须先了解地球形成时的（87Sr/86Sr）0，然而地球形成时的岩石样品难以获得。由于地球和陨石是在大致相同的时间由太阳星云的凝聚相通过重力凝聚形成的，所以通常借助陨石研究来确定地球的（87Sr/86Sr）0比值。目前公认玄武质无球粒陨石的（87Sr/86Sr）0比值为0.69897±0.00003（Faure，1977），代表地球形成时的初始比值，以BABI表示。
为了确定地壳和地幔两大体系的（87Sr/86Sr）0比值特征及其演化规律，Faure等（1983）研究了壳、幔体系（87Sr/86Sr）0随时间的演化（图6.3）。他们对已确认起源于上地幔源区的现代玄武岩等岩石的w（87Sr）/w（86Sr）进行统计研究的结果显示，岩石的w（87Sr）/w（86Sr）比值变化于0.702～0.706之间，平均值为0.704，w（Rb）/w（Sr）比值为0.027，以BABI值分别连接0.702和0.706两个
端点，构成两条直线，围成一个阴影区域，阴影区即玄武岩源区，代表上地幔（87 Sr/86 Sr）0随时间的演化。该图反映：由于上地幔具有较低的w（Rb）/w（Sr）比值，导致随时间演化上地幔的（87 Sr/86 Sr）0缓慢增长。一般认为，大陆硅铝质岩石在25亿年前由地幔物质派生，其w（Rb）/w（Sr）=0.15，现今大陆壳的（87Sr/86Sr）0平均为0.719，连接25 亿年的地幔（87Sr/86Sr）0值到现今大陆壳的（87 Sr/86 Sr）0值得到一条直线，该直线为平均大陆壳随时间的（87 Sr/86 Sr）0演化线。
图6.3 锶同位素地幔和地壳中的演化
由图6.3可见，若岩石的初始87Sr/86Sr比值落在大陆壳增长线以上或其附近，表明形成该岩石的物质来自陆壳；若岩石的（87Sr/86Sr）0比值落于“玄武岩区”，则表明形成它们的物质来自上地幔；若岩石初始87Sr/86Sr比值落在大陆壳增长线和“玄武岩源区”之间，则表明它们的物源可能是多样的，或来自壳幔混合的源区，或来自地壳下部w（Rb）/w（Sr）比值较低的角闪岩相、麻粒岩相高级变质岩等。
对地幔岩石或其派生的火山岩的（87Sr/86Sr）0比值研究，为地幔不均一性的研究提供了重要例证，不同区域玄武岩在锶同位素组成上具有明显的不均一性。例如，（87Sr/86Sr）0的平均值，在洋中脊玄武岩中为0.70280，海岛玄武岩为0.70386，岛弧玄武岩为0.70437，大陆玄武岩为0.70577。
除了用于研究成岩和成矿物质来源外，（87Sr/86Sr）0还可用来划分岩石的成因类型。如花岗岩分类：S型花岗岩的（87Sr/86Sr）0大于0.707；I型花岗岩的（87Sr/86Sr）0小于0.707。
锶同位素组成亦可用来指示壳、幔物质或两端员物质的混合作用及混合比例，例如，Faure（1986）推导出判断壳-幔两元混合方程如下：
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式中：RM代表混合物中87Sr/86Sr比值；wA、wB分别代表端员A和B的质量分数，wA+wB=1；RA、RB分别代表端员A和端员B原子丰度的87Sr/86Sr比值；XA、XB分别代表端员A和端员B的Sr含量（质量分数）。如果所研究样品是两端员混合作用的产物，则通过确定两个端员组分中原子丰度的87Sr/86Sr比值和Sr的含量（质量分数），可求解两端员混合的比例。式（6.24）也适用于其他同位素体系。
另外，锶同位素在研究沉积盆地演化、锶同位素地层学和环境等方面也有指示意义。
