同位素地质年代测定原理——以Rb-Sr法为例

同位素地质年代测定原理作者：徐向辉查道函来源：《西部资源》2012年第02期摘要：本文阐述了同位素测年的原理、前提、方法，重点介绍了Rb—Sr法的原理、使用要求、适用范围、原理、结果解释及优缺点。

关键字：同位素测定原理 Rb—Sr法1. 测年原理和前提同位素地质年龄，简称同位素年龄（绝对年龄），指利用放射性同位素衰变定律，测定矿物或岩石在某次地质事件中，从岩浆熔体、流体中结晶或重结晶后，至今时间。

放射性同位素进入其中后，含量随时间作指数衰减，放射成因子体积累。

若化学封闭，无母体、子体与外界交换而带进带出，测定现在岩石或矿物中母子体含量，根据衰变定律得到矿物、岩石同位素地质年龄。

这种年龄测定称做同位素计时或放射性计时。

计时的基本原理就是依据天然放射性同位素的衰变规律，由此测定的地质事件或宇宙事件的年龄，谓之同位素年龄。

应用同位素方法测定地质年龄，必须满足以下前提:(1)放射性同位素的衰变常数须精确地测定，并且衰变的最终产物是稳定的。

(2)样品及其测得的N和D值能代表想要得到年龄的那个体系。

(3)已知母体元素的同位素种类和相应的同位素丰度。

并且无论是在不同时代的地球物质中，还是在人工合成物甚至天体样品中，这些元素的同位素都具有固定的丰度值。

(4)体系形成时不存在稳定子体，即D0= 0(对于衰变系列，也不存在任何初始的中间子体)，或者通过一定的方法能对样品中混人的非放射成因稳定子体的初始含量D0作出准确地扣除或校正。

(5)岩石或矿物形成以来，母体和子体既没有自体系中丢失也没有从休系外获得。

也就是说，岩石或矿物对于母体和子体是封闭体系。

其中(1)和(3)两个前提是基本的，(4)和(5)两个条件则决定了岩石或矿物地质历史的一个模式。

2. 同位素测年主要方法在同位素年代学上，除了利用天然放射性的衰变定律直接进行年龄侧定外，还可以根据衰变射线和裂变碎片对周围物质作用所产生的次生现象来计时。

因此，总体上可将同位素年龄测定方法分为两大类:第一类为直接法，它们是基于放射性同位素自发地进行衰变，按照衰变定律来测定年龄。

第四讲Rb-Sr同位素体系Zoned Plagioclase内容提要Rb、Sr元素地球化学特征Rb-Sr同位素体系地球化学特征 Rb-Sr同位素定年原理Rb-Sr定年优点与局限性Rb-Sr同位素应用实例4.1 Rb-Sr元素地球化学特征☯Rb为电价+1的碱金属(第一主族)由于其离子半径(1.48Å)较大，常被排除于多数矿物结构中；☯Rb易溶于水和含水相中，故具有较强的活动性；☯Rb是强不相容元素之一(ultra-incompatible)；☯Rb的离子半径与元素K类似(1.33Å)，因此常与元素K在云母类矿物和K-长石中形成类质同象。

Rb-Sr元素地球化学特征Sr为+2价碱土金属(第二主族)，离子半径也较大(1.13Å)，故也被多数矿物排斥于结构之中；Sr也溶于水和含水相中，但溶解程度弱于元素Rb；Sr属中等程度不相容元素；Sr的离子半径与元素Ca(0.99Å)相似，易于与Ca在长石中形成类质同象。

Sr-Ca发生类质同象的其它矿物有方解石、石膏、磷灰石和榍石；Sr趋于在地壳中发生相对于地幔的富集作用，但其富集程度小于Rb。

Change in the concentration ofRb and Sr in the melt derived byprogressive batch melting of abasaltic rock consisting ofplagioclase, augite, and olivine.From Winter (2001) AnIntroduction to Igneous andMetamorphic Petrology.玄武岩批次部分熔融过程中，熔体Rb 、Sr 含量随部分熔融程度F 值的变化Rb/Sr ratios for various rocks:☐Ultrabasic0.2☐Basaltic0.06☐Granites0.25-1.7☐Shale0.46☐Sandstone3玄武岩与砂岩的Rb/Sr比值相差达50倍!!What accounts for huge range in Rb/Srratios of rocks?◆Rb subsitutes for K in K-bearing minerals,while Srsubstitutes for Ca in Ca-bearing minerals;◆Rb and Sr are fractionated by igneous processes:Rbtends to prefer melt(more incompatible than Sr).4.2 Rb-Sr同位素体系特征87Rb=27.83%85Rb=72.17%88Sr=82.53%87Sr=7.04% 86Sr=9.87% 84Sr=0.56%Sr由四个同位素组成，均为稳定同位素，其中87Sr为87Rb的放射成因同位素。

《地球化学》练习题绪论（答案）1.概述地球化学学科的特点。

2.简要说明地球化学研究的基本问题。

3.简述地球化学学科的研究思路和研究方法。

4.地球化学与化学、地球科学其它学科在研究目标和研究方法方面的异同。

第一章太阳系和地球系统的元素丰度（答案）1.概说太阳成份的研究思路和研究方法。

2.简述太阳系元素丰度的基本特征。

3.说说陨石的分类及相成分的研究意义.4.月球的结构和化学成分与地球相比有何异同？5.讨论陨石的研究意义。

6.地球的结构对于研究和了解地球的总体成分有什么作用？7.阐述地球化学组成的研究方法论。

8.地球的化学组成的基本特征有哪些？9.讨论地壳元素丰度的研究方法。

10.简介地壳元素丰度特征。

11.地壳元素丰度特征与太阳系、地球对比说明什么问题？12.地壳元素丰度值（克拉克值）有何研究意义？13.概述区域地壳元素丰度的研究意义。

14.简要说明区域地壳元素丰度的研究方法。

15.岩浆岩中各岩类元素含量变化规律如何？16.简述沉积岩中不同岩类中元素含量变化规律。

第二章元素结合规律与赋存形式（答案）1.亲氧元素和亲硫元素地球化学性质的主要差异是什么？2.简述类质同像的基本规律。

3.阐述类质同像的地球化学意义。

4.简述地壳中元素的赋存形式及其研究方法。

5.举例说明元素存在形式研究对环境、找矿或农业问题的意义。

6.英国某村由于受开采ZnCO3矿的影响，造成土壤、房尘及饮食摄入Cd明显高于其国标，但与未受污染的邻村相比，在人体健康方面两村没有明显差异，为什么？第三章自然界体系中元素的地球化学迁移（答案）1.举例说明元素地球化学迁移的定义。

2.举例说明影响元素地球化学迁移过程的因素。

3.列举自然界元素迁移的标志。

4.元素地球化学迁移的研究方法。

5.水溶液中元素的迁移形式有那些？其中成矿元素的主要迁移形式又是什么？6.解释络离子的稳定性及其在地球化学迁移中的意义。

7.简述元素迁移形式的研究方法。

8.什么是共同离子效应？什么是盐效应？9.天然水的pH值范围是多少？对于研究元素在水介质中的迁移、沉淀有何意义？10.举例说明Eh、pH值对元素迁移的影响。

同位素地质年龄测定技术及应用同位素地质年龄测定技术是判断岩体年龄或地质事件发生时代的常用方法，主要包括U-Pb法、Ar-Ar法、Rb-Sr法、Sm-Nd法等，各类方法均有其自身的特点，因此其适用范围和注意事项也存一定的区别。

本文以Rb-Sr法为例，对其原理、使用范围、注意事项及其局限性进行了分析讨论，希望能为读者提供参考。

标签：同位素;地质年龄;Rb-Sr法;应用1 概述随着科学技术的不断发展，地质学在帮助人类认识地球方面的作用日渐明显。

同位素地质年龄测定技术是以放射性同位素为基础的测量技术，该技术在地质研究方面的应用，可提高测量结果的有效性，便于人们更好地发现地球演变规律。

本文将对同位素地质年龄测定技术及其相关应用进行探讨。

2 同位素地质年龄测定技术2.1 原理分析测定原理为元素放射性衰变，放射性是指原子核可自发地放射各种粒子，具有自发放射各种射线的同位素称为放射性同位素;而放射出α或β射线后，原子核发生变化的过程可成为放射性衰变;衰变前的放射性同位素称为母体，衰变过程中产生的新同位素则称为子体;若经过一次衰变就可获得稳定子体的为单衰变;若经历若干次连续衰变获得稳定子体的则称为衰变系列。

在衰变过程中，放射性同位素母体同位素原子有一半完成衰变所耗费的时间成为半衰期，较为稳定，不受元素状态、外界环境、元素质量变化的影响;放射性同位素在单位时间内每个原子核的衰变概率成为衰变常数。

利用放射性衰变规律计算地质年代的主要依据就是半衰期和衰变常数。

2.2 放射性同位素测定地质年龄的前提放射性同位素测定岩体年龄的常用技术有U-Pb法、Ar-Ar法、Rb-Sr法、Sm-Nd法、Re-Os法、（U-Th）/He法等，各种方法的使用前提基本相同：①用于测定地质年龄的放射性同位素半衰期与测定对象相匹配，且半衰期和衰变常数能被准确测定;②能准确测定母体同位素组成及各项同位素的相对丰度;③母体衰变产物具有一定的稳定性，便于使用仪器设备对其进行检测;④岩石或矿物处于封闭状态，减少误差;⑤岩石或矿物形成过程中，同位素处于开放状态时间较短，可忽略不计。

热电离质谱法地质样品中Rb-Sr、Sm-Nd同位素组成
Rb-Sr、Sm-Nd同位素体系是同位素地球化学研究的经典体系，被广泛应用于同位素地质年代学和同位素示踪研究，在壳幔演化、岩浆活动、全球演化研究等方面具有重要应用价值。

天津地质矿产研究所同位素地质实验测试室为许多高校和地质部门提供过大量高质量的Rb-Sr、Sm-Nd同位素测试数据。

天津地质矿产研究所同位素地质实验测试室对Rb-Sr、Sm-Nd同位素测定采用I.D.（Isotope Dilution）和I.C.（Isotope Concentration）分别测定的
双流程分析测试程序。

分析I.D组份时，将地质样品用混合酸(HF+HNO
3+HClO
4
)
溶解，溶解前加入适量稀释剂87Rb+84Sr和149Sm+146Nd，取上清液载入阳离子交换柱中，采用不同浓度的酸洗脱基体元素，收集Rb、Sr、LREE组份，收集的Sr 组份采用Sr-Spec树脂进行二次纯化。

分析I.C组份时，溶解后的样品直接进行离子交换柱化学分离， LREE组份采用Ln-Spec树脂进行Nd分离和富集。

收集目标元素，在TRITON热电离质谱上进行同位素测定。

本实验室用来校正TRITON热电离质谱的标样Sr、Nd同位素测定范围为：NBS987：87Sr／86Sr＝0.710245±35，BCR-2：87Sr／86Sr＝0.704958±30；LRIG：143Nd/144Nd＝0.512202±25，BCR-2：143Nd/144Nd＝0.512633±30。

同位素地质年代学的定年方法概述一些元素(K,Rb,Re,Sm,Lu,U和Th)的自然长寿命放射性同位素,衰变为另种元素稳定同位素的作用,广泛应用于岩石和矿物的年龄测定。

这种测年提供了关于地球地质历史的信息,并已用于标定地质年代表。

地质过程时间维的确定是一项重要而复杂的研究任务。

准确标定某一地质体的年代是区域地质学、地球化学、矿床学和大地构造学研究中不可缺少的内容,对于区域地史演化规律的研究和找矿方向的确定,都具有十分重要的理论和实际意义。

可以说，现代岩石学在很大程度上已经离不开同位素地质学的研究。

在上一世纪60-80年代Sr、Nd、Pb 等同位素地质理论蓬勃发展并逐渐成熟的形势下，Re-Os、Lu-Hf等新的同位素体系也在快速发展。

近年来,由于各种新型同位素分析仪器的开发利用和分析测试技术方法上的迅猛发展,例如新一代高精度、高灵敏度、多接收表面热电离质谱仪(TIMS TRITON)、多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和高灵敏度高分辨率离子探针质谱（SHRIMP）技术的开发和利用,大大拓宽了各种同位素新技术方法在地球科学各个领域中的应用,并取得了一系列令人瞩目的新发现和新认识。

目前,地质体的定年主要采用的是K-Ar法、40Ar-39Ar法、U-Pb法、Pb-Pb法、Rb-Sr法、Sm-Nd法等,已经获得了非常丰富的资料。

然而,由于地质作用过程的复杂性、多期性和测年方法及测试对象的局限性,对已经获得的年龄数据,不同的学者往往有不同的地质解释。

因此,开展同位素定年方法学中的适用性和局限性有关问题的研究,不仅有助于重新认识、评价和应用已有的资料,而且有利于今后工作中同位素定年方法的改进。

一、K-Ar法和40Ar-39Ar法常规的K-Ar法定年主要建立在两个基本的假设条件之上。

①矿物或岩石形成以后,对钾和氩保持封闭体系,既没有钾和氩的加入,也没有钾和氩的逃逸。

②矿物或岩石中不含有大气氩;如果含有氩,则只能由大气混染造成,可以进行常规法定年的大气混染校正(穆治国,1990)。

关于Sr同位素地层年代学的原理与应用1. 原理介绍Sr同位素地层年代学是一种利用地层中的锶同位素组成的方法，用于确定地层的年代。

它基于地球上锶同位素的自然放射性衰变。

锶（Sr）有多个同位素，其中主要的两个同位素是87Sr和86Sr。

这两个同位素的比例在地质时间尺度上是变化的，因此可以作为地质年代的指示器。

Sr同位素地层年代学主要包括两个方面的应用：锶同位素比值的测量和地质事件的时间约束。

2. Sr同位素比值的测量测量Sr同位素比值是Sr同位素地层年代学的基础。

通常采用质谱仪进行测量。

通过将地质样品溶解成溶液，然后使用离子交换柱将样品中的Sr离子分离出来。

接下来，使用质谱仪测量样品中87Sr/86Sr的比值。

Sr同位素比值测量的准确性和精确性非常重要，因此在实验中需要采取一系列的质控措施，如添加标准样品、重复测量等。

3. 地质事件的时间约束Sr同位素地层年代学可以用于确定地质事件的时间约束。

在地质历史中，一些重要的地质事件，如火山喷发、地壳运动等，会导致地层中Sr同位素比值的变化。

通过测量地层中不同位置的Sr同位素比值，并与已知年代的地层相比较，可以获得地质事件发生的时间约束。

这对于研究地球演化、构建地质时间尺度具有重要意义。

4. Sr同位素地层年代学的应用Sr同位素地层年代学在地质科学中有广泛的应用。

以下列举几个常见的应用领域：•地层对比和年龄研究：通过测量不同地层中的Sr同位素比值，可以对地层进行对比和年龄研究，推断地层的相对年代和地域关系。

•火山喷发历史研究：通过测量火山岩中的Sr同位素比值，可以确定火山喷发的历史并推断活动时间和频率。

•地壳运动研究：地壳运动会导致地层中Sr同位素比值的变化。

通过测量地层中不同位置的Sr同位素比值，可以确定地壳运动的时间和幅度。

•古气候研究：通过测量地层中沉积物中的Sr同位素比值，可以推断古气候环境的变化。

•石油勘探：Sr同位素地层年代学可以用于确定石油储层的地质历史，为石油勘探提供重要参考。