南京大学同位素地质学-04同位素年代学一般原理ppt课件.ppt

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1、4地质年代学(Geochronometry/Geochronology)一般原理十九世纪中叶关于地球年龄争论的历史：当时还未知道放射性及其热英国著名物理学家WilliamThomson从地球形成时的热球冷却到今的热流值计算出地球年龄只有40–100Ma.许多地质学家直觉这一年龄太短，尤其是地质学的奠基人之一CharlesLyell以及博物学家CharlesDarwin对此不能接受。C.Lyell当时争辩说地球内部存在一种未知的热源，地球年龄远超过40–100Ma，但被W.Thomson(后被册封为

2、LordKelvin)斥为不是科学推理。PierreCurie&Laborde在50多年之后的1903年才测出当时刚发现的放射性所产生的热，然后Rutherford重新作了W.Thomson的计算，从而证明C.Lyell的直觉是对的。FromWhite，20004.1放射成因子体的增长岩石和矿物中一些元素的长寿命放射性同位素衰变为稳定子体。这些母－子体对提供了测定地球岩石和天外岩石年龄工具。此外，地球各种地质储库（reservoirs）（如岩石圈地幔、大陆地壳）中放射成因子体同位素的积累可以提供火

3、成岩石来源、陆壳增长的信息。下表列出了地质年代学和岩石成因研究中最有用的母－子体同位素体系地质年代学中常用的长寿命天然放射性核素及其子体母体衰变方式半衰期（109年）子体4019Ke,＋11.94018Ar4019K－1.394020Ca8737Rb－48.88738Sr14762Sm10614360Nd17671Lu－3617672Hf18775Re－4118776Os23290Th,－1420882Pb23592U,－0.70420782Pb23892U,－4.4720

4、682Pb一个长寿命的放射性核素（N）在一个封闭体系中衰变，放射成因稳定子体原子的数目(D*），应等于衰变掉的放射性母体原子的数目：D*＝N0－N即：D*＝N0(1－e－t)或：D*＝N(et－1)如果一体系中，t=0时的子体原子数为D0，则该体系子体原子总数为：D＝D0＋D*＝D0＋N(et－1)-dN/dt＝lN;N＝N0e－tD＝D0＋D*＝D0＋N(et－1)该方程是同位素地质学的基础。若t＝0时体系中初始的子体原子数D0已知，则通过测定体系中目前的放射性母体的原子数和子体的原子

5、总数，由上式可求得体系封闭以来所经历的时间t：D＝D0＋N(et－1)质谱测量中不是测定绝对量，而是测定比值，因此将上式两边同除于一个子体元素的稳定同位素，得:I＝I0＋R(et－1)式中I为样本测定的子体同位素比值，R为样本测定的母体同位素与子体元素的稳定同位素的比值，I0为样本形成时的子体同位素比值.年龄t为：4.2定年的一般前提(1)用作定年的岩石或矿物样品中除了母体衰变为子体以外，没有发生母子体的获得或丢失(封闭)(2)衰变常数不随时间和物理条件变化，其值已知(3)计算中使用的初始子体

6、数值（D0或I0）合适；(4)岩石或矿物样品中母体和子体的测定值准确。D＝D0＋D*＝D0＋N(et－1)I＝I0＋R(et－1)前提-(1):体系封闭由于放射成因子体元素与母体元素地球化学性质存在差异，在原来的矿物中不稳定，趋向于逃逸出原矿物而破坏体系的封闭性。如何判断封闭/开放？由于样品和地质作用的复杂性，没有直接的数学方法标准，只有一些经验方法。影响岩石或矿物对母、子体元素的封闭性的因素包括：A）矿物对母、子体元素的保存性B）母、子体元素的物理－化学性质C）岩石或矿物的变质程度D）热事件

7、的冷却速率E）受水溶液的作用不同的母－子体同位素体系对上述因素的响应是不同的，因此许多情况下一岩石或矿物的各同位素体系定年结果并不完全一致。因此需要根据岩石/矿物性质和母－子体同位素的特点来判断记录岩石/矿物年龄。对于深成岩来说，矿物结晶后缓慢的冷却使得一些元素的子体（如40Ar）可以逃离矿物直到一定低的温度门槛，因此火成岩或变质岩中云母的K－Ar年龄常常低于Rb－Sr或Sm－Nd年龄。如在常温下，40Ar的扩散系数D为10-20cm2s-1量级，扩散距离x≈(Dt)1/2，在1Ga时间内：x≈(

8、3×107×109×10-20)1/2=0.005cm但在250℃时（相当于低级变质作用），40Ar的扩散系数为10-12cm2s-1量级，则在100Ma时间内：x≈(3×107×100×106×10-12)1/2=54cm.此结果表明，该条件下所有矿物体系对Ar都是开放的。【这样的温度时间条件对应于地壳10Km深度的岩石，如一个花岗岩由于构造运动发生褶皱或由于沉积盆地形成过程中被上覆沉积岩层覆盖】前提-(2):衰变常数恒定且已测定放射性核素的—、＋、电子俘获(e.c.)、衰