第二講-K-Ar和Ar-Ar法綜述課件

第二講K-Ar和Ar-Ar法偏光鏡下的角閃石內(nèi)容提要K-Ar同位素體系特征40K-40Ar與39Ar-40Ar定年原理三種不同的K-Ar/Ar-Ar定年方法：同位素稀釋法分步加熱法激光剝蝕法地質(zhì)應(yīng)用及局限性

2.140K衰變特征K是常量元素，但在其三個(gè)同位素中(41K、40K、39K)，只有含量最少、豐度僅為0.012%的40K具有放射性。因此，自然界中由40K放射性衰變形成的子體同位素量較少。40K放射性衰變有兩種不同途徑：其中約89.5%為衰變形成40Ca，剩余的約10.5%以電子捕獲方式形成40Ar，其衰變常數(shù)分別為0.58110-10yr-1和4.96210-10yr-1。K-Ar同位素定年方法則是利用了40K-40Ar的衰變現(xiàn)象。40K40Ar衰變包括兩種電子捕獲形式，其中正電子發(fā)射形式只占總衰變量的0.01%。40K40Ar的總衰變常數(shù)為0.58110-10/yr40K衰變示意圖40K40Ca衰變以發(fā)射粒子形式實(shí)現(xiàn)。其衰變常數(shù)為4.96210-10/yr。40K的總衰變常數(shù)為：5.54310-10/yrAr是惰性氣體元素，因此在地球形成的早期被大量釋放進(jìn)入大氣圈，使得固體巖石中具較高的K/Ar比值，加上40K衰變成40Ar的半衰期為所有長壽命(除235U外)放射性同位素中最短的特點(diǎn)，使得K-Ar法具有測(cè)量年輕地質(zhì)體(<50ky)的能力；K&Ar元素天然豐度39K=93.2581%40K=0.01167%41K=6.7302%40Ar=99.6%38Ar=0.063%36Ar=0.337%2.2同位素特征與K-Ar年齡由于K-Ar法具有測(cè)量年輕地質(zhì)體的能力，通過對(duì)大洋中脊玄武巖形成年齡及其空間分布模式的確定，對(duì)認(rèn)識(shí)板塊構(gòu)造機(jī)制起了重要作用。由于Ar呈氣相存在，當(dāng)?shù)V物從巖漿中結(jié)晶出來時(shí)，所含的Ar量，即初始Ar

的含量較低。若假定礦物結(jié)晶時(shí)初始Ar來自大氣或與大氣平衡，則可用大氣Ar同位素組成作為初始Ar，即(40Ar/36Ar)initial=295.5，結(jié)合樣品現(xiàn)在的K、Ar組成，計(jì)算出礦物K-Ar年齡：式中e為40K發(fā)生電子捕獲衰變的衰變常數(shù)，為總衰變常數(shù)，為衰變常數(shù)與電子捕獲衰變常數(shù)之和(5.54310-10y-1)當(dāng)初始Ar不同于大氣Ar時(shí)，則需采用等時(shí)線的方法，分別求得年齡和初始Ar。2.3為何不采用40K-40Ca定年??

Ca也屬常量元素，由6個(gè)同位素組成(40Ca、42Ca、43Ca、44Ca、46Ca、48Ca)，其中40Ca的豐度為96.92%，占絕對(duì)多數(shù)。由于40K只占鉀元素僅約0.012%，且其中只有約10.5%經(jīng)放射性衰變形成的40Ca，故在鈣元素的同位素組成中所占比例較低，導(dǎo)致自然界物質(zhì)中40Ca/42Ca比值變化量很小，以至于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定十分困難。因此，在選擇K的同位素定年方法時(shí)，K-Ar法較K-Ca法更具適用性。但目前仍有部分研究者在從事K-Ca法的方法研究與地質(zhì)應(yīng)用(下幻燈片為參考實(shí)例)。對(duì)比研究了寶石級(jí)透長石、白云母中來自相同元素K不同同位素衰變分支的同位素定年結(jié)果：Ar-Ar法與K-Ca法。2.4、K-Ar同位素分析技術(shù)由于Ar為氣態(tài)，與K不同。因此在K-Ar(以及Ar-Ar)方法，其分析具有與其它同位素定年方法不同的特殊性；地球上K元素的同位素是均一的，因此通過測(cè)量元素K的含量，使可獲得40K的含量，主要方法包括X熒光光譜、中子活化和同位素稀釋法；地質(zhì)樣品中的Ar通過專門的提取裝置釋放出來(在約1400C下熔融)，經(jīng)純化后(去除H2O、CO2等)與稀釋劑氣體混合(高純富38Ar氣體)，進(jìn)入質(zhì)譜檢測(cè)。為防止樣品吸附大氣Ar，樣品應(yīng)保持最小表面積，即盡量保持單礦物顆粒或巖石碎片的原始大小而不粉碎。同位素稀釋法IsotopeDilutionMethod:1.Addaspikethatisveryenrichedinoneisotopetothesample2.Measureratioswithmassspectrometer3.Calculatecontributionsfromcontamination(naturalratios),spike(enrichedratios),andisotopeofinterestAr同位素稀釋法原理示意圖惰性氣體質(zhì)譜

NoblegasmassspectrometerSchematicdiagramofanargonextractionlinecoupledtoastaticgasmassspectrometer.AfterDalrympleandLanphere(1969).

2.5等時(shí)線法IsochronMethod

令 x=(40K/36Ar)m且 y=(40Ar/36Ar)m則可得 y=b+mx其中截距為 b=(40Ar/36Ar)I斜率為m=(le/l)(elt-1)即當(dāng)樣品具有相同的Ar同位素初始組成時(shí)，可對(duì)同地質(zhì)體進(jìn)行多樣品分析，獲得其形成年齡。新西蘭火山巖K-Ar等時(shí)線年齡

K-Ar

isochronplotforalavaofhistoricalagefromMountWellington,NewZealand,showingabest-fitslopeageof75kyr.AfterMcDougall

etal.(1969).2.6開放系統(tǒng)：繼承Ar與Ar丟失

通常假設(shè)，由于巖漿的去氣作用，含鉀礦物(巖石)形成時(shí)，晶體中不含Ar，即無繼承Ar存在。因此，礦物中現(xiàn)存Ar均為放射成因Ar，其年齡可由下式計(jì)算：過剩Ar

但大量研究表明，包括角閃石、輝石在內(nèi)的單礦物、深海火山巖均存在明顯的過剩Ar。若過剩Ar僅由大氣組成，則代表了樣品放射成因Ar與大氣Ar的混合，其等時(shí)線年齡具地質(zhì)意義；若樣品除含大氣Ar外，還含有繼承Ar，即巖漿作用未完全去氣除掉的Ar，則其“等時(shí)線”無地質(zhì)意義，常表現(xiàn)為年齡偏老。繼承Ar可能來自再循環(huán)地殼物質(zhì)等，而存在繼承Ar的地質(zhì)體常出現(xiàn)于侵入巖體、深海火山巖、構(gòu)造活動(dòng)帶等。Contentsof(excess)radiogenic

40ArinsubmarinepillowsfromHawaii,plottedagainstinwarddistancefromthepillowrim.ApparentK-AragesforeachsamplearenotedinMyr.AfterDalrympleandMoore(1968).

夏威夷年輕火山巖的邊緣顯示出過剩Ar，使得其視年齡偏老.由枕狀熔巖邊緣向內(nèi)部方向Ar丟失：

熱事件或熱液作用也可導(dǎo)致Ar丟失，導(dǎo)致定年結(jié)果偏輕。示圖顯示在侵入接觸帶附近的圍巖中，不同礦物K-Ar年齡與接觸帶距離的關(guān)系。PlotofapparentK-Armineralagesagainstoutwarddistancefromthecontactofthe60Myr-oldEldorastock,Colorado.AfterHart(1964).2.740Ar-39Ar方法在快中子輻照下(人工反應(yīng)堆)，39K可轉(zhuǎn)變?yōu)?9Ar:(n:中子捕獲neutroncapture;p:質(zhì)子釋出protonemission)由39K輻照轉(zhuǎn)變?yōu)?9A的量為：式中t為輻照時(shí)間、e為能量e的中子流能量強(qiáng)度、e為39K捕獲能量e的中子時(shí)的截面積。根據(jù)K-Ar衰變方程有：…a…b在實(shí)踐中，用a式計(jì)算出39Ar的量十分困難，因此采用已知年齡的標(biāo)準(zhǔn)樣品與未知樣品同時(shí)進(jìn)行輻照的方法。將b式除以a式，有：對(duì)于式中用紅線框出部分，標(biāo)樣和未知是相同的，即與人工輻射條件有關(guān)。令該式為J，對(duì)于標(biāo)樣則有：由于標(biāo)樣t已知，根據(jù)對(duì)標(biāo)樣40Ar/39Ar的測(cè)定，可計(jì)算出J值。由此對(duì)未知樣品進(jìn)行定年：40Ar/39Ar比值校正40K、40Ca、42Ca在受到中子輻照時(shí)，產(chǎn)生40Ar、36Ar和39Ar，從而對(duì)準(zhǔn)確定年產(chǎn)生影響；可通過對(duì)待測(cè)樣品時(shí)代估計(jì)及其K含量和K/Ca比值，優(yōu)化樣品的樣量和中子輻照量，減小干擾同位素的產(chǎn)量。并依據(jù)下式，扣除干擾同位素：將39K轉(zhuǎn)變?yōu)?9Ar進(jìn)行分析的優(yōu)點(diǎn):

Converting39Kinto39Arbringsthefollowingadvantages:1.可從同一樣品獲得K(39Ar)和40Ar的數(shù)據(jù)

YoucanobtainK(39Ar)and40Ardatafromthesamesample2.只需測(cè)量Ar同位素?cái)?shù)據(jù)，故可獲得較高的測(cè)量精度

Arisotopicratiosaretheonlymeasurementsrequired(highprecision)3.可對(duì)樣品進(jìn)行加熱緩釋獲得樣品不同性質(zhì)Ar同位素組成

YoucanmeasureArratiosasyouslowlyheatthesample2.8分步加熱測(cè)量Step-wiseheating

中子輻照技術(shù)使K-Ar方法中的K原位轉(zhuǎn)變成了Ar，因此可采用分步熱釋的方法，獲得樣品不同域的年齡信息及其所構(gòu)成完整的年代學(xué)記錄；相對(duì)于一次熔融法Ar分析，分步熱釋方法可識(shí)別出同一樣品內(nèi)部存在的異常亞系統(tǒng)，代表了不同程度的Ar丟失，如礦物邊緣部分，它們易于在溫度相對(duì)較低的條件下釋放出來，而正常的、結(jié)合緊密的礦物區(qū)域，保存了樣品結(jié)晶以來的放射成因Ar，它們?cè)谳^高的溫度下釋放；分步加熱所獲數(shù)據(jù)有兩種表達(dá)方式：1)等時(shí)線法；2)年齡坪譜法。前者類似K-Ar法中同源樣品的等時(shí)線方法，而后者為各加熱階段獲得40Ar/39Ar比值(和根據(jù)標(biāo)樣的J值)計(jì)算出的視年齡對(duì)應(yīng)于累積熱釋39Ar的量。等時(shí)線法有助于了解有無繼承Ar，而坪年齡法可對(duì)Ar丟失、區(qū)域熱演化歷史提供判別信息。典型坪年齡

特征與解釋Plot(40Ar*/39Ar)vsheatingstepsOrPlotApparentAgevs.fraction39Arreleased“plateau”givesmostreliablecrystallizationagelow-temperaturestepsrevealsamplehaslost40Ar*higherTstepsgiveconsistent40Ar*/39Arratios大別研究實(shí)例稍復(fù)雜的坪年齡從坪年齡中判別結(jié)晶年齡的一般準(zhǔn)則理論上在熱釋系列中，應(yīng)有>50%的39Ar的累積量所給出的年齡在2標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)一致。在實(shí)踐中，多數(shù)樣品的坪年齡沒有這樣的典型特征，即一致的“年齡坪”所對(duì)應(yīng)的39Ar累積量<50%，因而存在不能有效保留原始結(jié)晶年齡信息的可能，但能對(duì)后期事件進(jìn)行記錄。2.9獲得Ar丟失事件信息應(yīng)用分步加熱技術(shù)，獲得樣品形成和后期熱事件的年齡信息。示圖為兩件球粒隕石樣品Ar-Ar坪年齡譜圖，它們形成于45億年，并于500Ma受小行星帶碰撞事件的熱擾動(dòng)。圖中Colby雖發(fā)生了50%的Ar丟失，卻仍記錄了原巖年齡，但對(duì)熱事件的指示相對(duì)模糊；Bruderheim發(fā)生了80%的Ar丟失，也失去對(duì)原巖年齡的記錄，但卻清楚指示了約500Ma的后期事件。Turner等將4500和500Ma分別作為礦物形成和熱事件年齡，以擴(kuò)散作用為機(jī)制，計(jì)算了不同Ar丟失程度下的坪年齡特征。左圖為假設(shè)礦物粒度均一，而右圖假設(shè)礦物粒度為正態(tài)特征的不同大小。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)圖結(jié)果基本吻合：當(dāng)Ar丟失程度約為20%時(shí)，樣品仍能記錄結(jié)晶年齡，但不能很好地約束熱事件年齡；當(dāng)Ar丟失>80時(shí)，結(jié)晶年齡信息全部丟失，但對(duì)準(zhǔn)確確定事件年齡。示圖為在侵入巖圍巖中，與接觸帶不同距離的礦物所記錄的Ar-Ar坪年齡。圖中說明：1)多數(shù)情況下，角閃石的最高溫度坪年齡為原結(jié)晶年齡，但部分角閃石(a中3.5m)，其“高質(zhì)量”坪年齡卻沒有地質(zhì)意義；2)黑云母坪年齡對(duì)與接觸帶的距離十分敏感，近距離Ar丟失明顯，但高質(zhì)量坪在遠(yuǎn)距離樣品中出現(xiàn)，準(zhǔn)確地記錄了原結(jié)晶年齡；3)鉀長石受熱事件擾動(dòng)后，Ar丟失較徹底。因此，上述礦物中，黑云母較適于進(jìn)行原巖年齡的Ar-Ar定年，而在選擇角閃石礦物時(shí)，對(duì)年齡意義的解釋應(yīng)慎重。不同礦物受熱事件擾動(dòng)后的原巖年齡記錄能力被測(cè)礦物粒度對(duì)定年結(jié)果的可能影響虛線和實(shí)線坪分別代表了月海玄武巖巖石呈小碎巖塊和細(xì)粉未狀進(jìn)行Ar-Ar測(cè)量的結(jié)果。巖塊樣品顯示出了正常的坪年齡結(jié)構(gòu)，而粉未樣品表現(xiàn)為隨加熱溫度升高，其視年齡下降的異常現(xiàn)象。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，其原因是由于粉未樣品因表面積較大，在受中子輻照時(shí)，產(chǎn)生了39Ar的反沖現(xiàn)象(recoil)，使39Ar在樣品表面富集，從而在低溫條件下，其40Ar/39Ar比值給出了偏老的年齡。因此，在進(jìn)行地質(zhì)樣品分析時(shí)，保持分選礦物的原有粒度，有利于其Ar-Ar定年。Theeffectoffinecrushingona40/39agespectrum,dueto39Arrecoil.Dashedprofile=analysedrockchipofalunarmarebasalt.Solidprofile=similarsampleactivatedafterfinepowdering.AfterTurnerandCadogan(1974).2.10Ar-Ar反等時(shí)線、馬鞍狀坪年齡與過剩ArLopezMartinez(1984)發(fā)表了最老的Ar-Ar年齡：太古宙科馬提巖。在925-1035C的溫度區(qū)間獲得了34866Ma的坪年齡，該年齡值明顯老于其在全熔條件下獲得的3336Ma的年齡，原因是在巖石中存在600-800C和>1100C時(shí)，存在低坪年齡；通過對(duì)比不同溫度條件下Ca/K比值(由37Ar/39Ar測(cè)量值計(jì)算)，研究者認(rèn)為坪年齡礦物為透閃石、低溫(低Ca/K)礦物為黑硬綠泥石、高溫(高Ca/K)礦物為早期輝石殘余。作者將坪年齡解釋成科馬提巖的形成年齡，并得到了其反等時(shí)線年齡(3489Ma)證據(jù)的支持?？岂R提巖坪年齡及其低、高溫階段Ar丟失年齡Ar-Ar反等時(shí)線：是對(duì)傳統(tǒng)K-Ar年齡等時(shí)線法的變換，為36Ar/40Arvs

39Ar/40Ar。其在縱坐標(biāo)截距的倒數(shù)為初始初始Ar比值，而在橫坐標(biāo)上的截距為對(duì)應(yīng)了其等時(shí)線年齡(扣除初始值后依據(jù)標(biāo)樣J值計(jì)算)。優(yōu)點(diǎn)：消除傳統(tǒng)K-Ar坐標(biāo)體系的強(qiáng)相關(guān)性，使對(duì)誤差的觀察更為明顯。從與科馬提巖相同的巖系中分析了玄武質(zhì)科馬提巖，其坪年齡譜與科馬提巖相反，形成了低、高溫階段年齡異常偏高(約3778Ma)、中間坪年齡代表了結(jié)晶年齡的馬鞍狀坪譜結(jié)構(gòu)，代表了一種大陸巖石中典型的Ar過剩現(xiàn)象。通過對(duì)比不同溫區(qū)的Ca/K比值，研究者認(rèn)為坪年齡來自角閃石礦物，而擾動(dòng)的過剩年齡來自黑硬綠泥石。2.11熱演化歷史York等對(duì)加拿大南部安大略Grenvillian造山帶中的閃長巖進(jìn)行了Ar-Ar研究，其中的角閃石、黑云母和鉀長石分別獲得了不同的坪年齡。通過對(duì)不同溫度條件下Ar丟失程度的確定，主要計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)(D/a2)，其中D為系數(shù)，a為Ar從礦物顆粒內(nèi)部擴(kuò)散到表面的距離。這些點(diǎn)將沿直線分布，其斜率和與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)分別代表了擴(kuò)散活化能和(D0/a2)，據(jù)此采用迭代計(jì)算的方式，獲得不同礦物對(duì)Ar的封閉溫度。鉀長石角閃石黑云母結(jié)合不同礦物的封閉年齡，計(jì)算并總結(jié)出Gren