成矿年代学综述.ppt

放射性同位素年代学在金属矿床定年中的应用 中国地质大学（武汉）资源学院中国地质大学（武汉）资源学院原理篇Ø放射性同位素的衰变Ø同位素地质年代学的基本原理Ø常用同位素年代学测试方法Ø实验仪器及微区原位分析相对年龄方法－P地层侵位化石绝对年龄测定-放射性同位素l原子核是不稳定的，它们以一定方式自发地衰变成其它核数的同位素l自然界有67种天然放射性同位素，原子序数>83，质量数>209的同位素都是放射性同位素原子序数>83，质量数>209的同位素都是放射性同位素放射性同位素衰变不稳定核素稳定核素不稳定核素不稳定核素母体(母核)子体(子核)l衰变种类Ø α-衰变Ø β-衰变Ø电子捕获Ø重核裂变l衰变使得放射性母体 核素转变成一个或一个以上子体 核素a-衰变释放出一个a-质点 或 4He 核素 (2 质子, 2 中子)新核素在母体核素质量数减少 4, 原子序数减 2Z  Z-2N  N-2A  A-4b-衰变原子核中一个中子分裂为一个质子和一个电子，并将电子(b质点)及一个中微子释放出来衰变后新核素质量数不变，核电荷数加1，变为周期表右侧相邻元素例如: 87Rb -> 87Sr + e– + nZ  Z+1N  N-1A  A电子捕获原子核自发地从外层(常为K层)电子轨道上吸收一个电子，与一个质子结合形成一个中子。

衰变产物核质量数不变,核电荷数减1，变为周期表左侧相邻元素例如: 40K + e- → 40Ar + nZ  Z-1N  N+1A  A重核裂变重同位素自发地分裂成重同位素自发地分裂成2 2或或3 3个个原子量大致相同的碎片，原子量大致相同的碎片，238238U U、、235235U U和和232232ThTh等重核都可以发生等重核都可以发生这类裂变这类裂变同位素地质年代学的基本原理l l同位素衰变有下列性质 (Rutheford，1902)：ØØ衰变作用发生在原子核内部，作用结果由一种核素变成另一种核素；ØØ衰变自发地不断进行，并有衡定的衰变比例；ØØ衰变反应不受温度、压力、点磁场和原子核存在形式等物理化学条件的影响；ØØ衰变前和衰变后核数的原子数只是时间的函数同位素衰变定律l l单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比原子数成正比-dN/dt =  Nu N = 在 t 时刻存在的母体原子数u l = 衰变常数 = 单位时间内发生的衰变 (单位: s–1)u No = 当 t 为0时衰变母体原子数同位素半衰期新生核素－子体衰变子体的原子数为D＊，当t=0时， D＊=0，时间t后 如果子体在衰变开始就存在：母体衰变和子体形成同位素地质年代学基本公式质谱分析只能测定同一元素的同位素比值，不能直接测定单个同位素的原子数，在同位素年代学方法中，需选取子体元素的其它同位素作参照，进行同位素比值测定。

若参照的同位素为Ds：同位素地质年代学年龄计算公式同位素年代学年龄测定的前提常用同位素年代学测试方法Re-Os法Re同位素组成同位素组成 185Re: 37.398±0.016% 187Re: 62.602±0.016%187Re-187Os衰变体系 衰变方程：衰变方程：187Re →187Os+β• 衰变常数：衰变常数：λ187Re=1.666××10 –11a-1估计误差为估计误差为±±1%Re-Os法年龄计算方程•187Os=187Re(eT-1)•187Os/188Os =(187Re/187Os)(eT-1)•187Os/188Os = (187Os/188Os )(T)+(187Re/187Os)(eT-1)•T=(1/)ln(187Os/187Re+1) 适用于辉钼矿•T=(1/)ln[(187Os/188Os)/(187Re/187Os)+1] 适用于辉钼矿•T=(1/)ln{[(187Os/188Os)-(187Os/188Os )(T)] /(187Re/187Os)+1} 适用于各种岩石和矿物Re-Os法年龄计算方程Ø 辉钼矿Ø 幔源硫化物Ø 黑色页岩Ø 玄武岩Ø 热液成因硫化物Ø 超基性岩Re和Os含量降低Re-Os定年的适用性238U 衰变链中子数质子数U-Th-Pb法α衰变衰变ββ衰变衰变238U 235U+2 ion, +4 ion206Pb 207Pb 208Pb 204Pb+2 ion238U→206Pb 8 = 1.55125 E-10 yr-1t1/2 = 4.468 E9 yrU-Th-Pb体系232Th+4 ion235U→207Pb 5 = 9.8485 E-10 yr-1t1/2 = 0.7038 E9 yr232Th→208Pb 2 = 14.010 E-10 yr-1t1/2 = 4.9475 E9 yr一致年龄“207Pb-206Pb年龄”U-Pb一致曲线图T形成T丢失 ?Pb 丢失丢失U 积聚积聚U 丢失丢失U-Th-Pb法研究对象和适用性•U-Th-Pb等时线 富U样品•U-Pb一致曲线图 富U样品•普通Pb等时线 无U样品39K 40K 41K+1 ion36Ar 38Ar 39Ar 40ArK→β-衰变衰变 → ArK-Ar法法40K – 89% → 40Ca – 11% → 40ArK-Ar法年龄计算方程K-Ar法研究对象和适用性Ar-Ar法法Ar-Ar法分步加热技术39Ar析出分量年龄(Ma)坪年龄Release frominteriorRelease fromedgesRb → β-衰变衰变 → SrSr有多个同位素: 84, 85, 86, 87, 88只有 87Sr 是放射成因来源 – 87RbRb-Sr法87Rb87Sr86Sr是稳定同位素，不可能由其它同位素衰变生成87Sr/86Sr初始比abctoRb-Sr等时线的形成86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro( )abca1b1c1t1to86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro( )Rb-Sr等时线的形成abca1b1c1t1to86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro( )a2b2c2t2Rb-Sr等时线的形成Rb-Sr等时线法Rb-Sr等时线示意图Rb-Sr法研究对象和适用性147Sm+3 ion143Nd 144Nd+3 ion147Sm  143Nd + 4HeSm-Nd法Sm→α-衰变 → NdSm-Nd法年龄计算方程Sm-Nd法研究对象和适用性Sm-Nd法模式年龄 假设原始地幔岩浆库是一个具有球粒陨石Sm/Nd比值的均一岩浆库(CHUR-CHondritic Uniform Reservoir)，并假定地壳岩石的Sm/Nd比值在从CHUR源区分离后保持不变，则地壳岩石在时间t的(143Nd/144Nd)0值就是CHUR源区在时间t的演化值0.5126380.1967对地壳样品：对地壳样品：实验仪器及微区原位分析l l同位素稀释法－溶样超净实验室Rb, Sr and REE from othersSm and Nd from other REEs固体同位素质谱计德国Finnigan公司MAT-262(中科院地质与地球物理所)固体同位素质谱实验仪器MAT-262型 质 谱 计 ， 德 国Finnigan公司制造。

质量分析器为具有90度扇形磁场，配置5个法拉第杯的多接收系统，可采用正负离子技术测定多种元素较高精度同位素比值目前，该仪器主要应用于铷－锶、钐－钕和铅同位素比值的测量SHRIMP分析-微区原位年龄测试高分辨率二次离子探针质谱计高分辨率二次离子探针质谱计 SHRIMPSHRIMP SHRIMPSHRIMP可可对对锆锆石石微微区区定定年年不不但但可可厘厘定定不不同同颗颗粒粒的的形形成成时时代代，，还还可可精精确确测测定定一一颗颗形形状状如如针针尖尖大大小小( (２２００～～５５００μ μm)m)的的锆锆石石晶晶体体内内从从内内核核到到外外部部不不同同区区域域相相差差数数亿亿年年的的生生长长年年龄龄借借助助SHRIMPSHRIMP，，一一个个锆锆石石样样品品的的定定年年可可以以给给出出该该岩岩石石经经历历过的数次地质事件的时限过的数次地质事件的时限 离子探针的原理是利用能量为1～20KeV的离子束照射在固体表面上，激发出正、负离子(溅射)，利用质谱仪对这些离子进行分析，测量离子的质荷比和强度，从而确定固体表面所含元素的种类和数量 5353LA -ICPMS1.1.激光器2.2.光路3.3.观察系统4.4.样品池5.5.气溶胶传输系统应用篇Ø矿床学研究中常用年代学测试方法ØRe-Os法与典型矿床成矿时代ØU-Pb法确定成矿时代ØAr-Ar法确定成矿时代ØRb-Sr法确定矿床形成年龄ØSm-Nd法确定成矿时代内生成矿作用矿床学研究中常用年代学测试方法热液矿床定年：蚀变(脉石)矿物和副矿物Re-Os：辉钼矿、黄铁矿、黄铜矿、毒砂等硫化物U-Pb： 锆石、独居石、榍石Ar-Ar： 钾长石、绢云母、白云母、伊利石Rb-Sr： 绢云母、钾长石、白云母、水白云母和伊利石Sm-Nd：萤石、电气石、方解石、白钨矿矿床学研究中常用年代学测试方法在在金金属属矿矿床床的的年年代代学学研研究究中中，，Re-OsRe-Os同同位位素素定定年年方方法法最最大大的的优优点点是是能能直直接接对对金金属属矿矿物物进进行行定定年年，，并并且且该该方方法法具具有有较较大大的的年年龄龄测测定定范范围围，，既既可可以以测测定定古古老老样样品品，，也也可可以以测测定定年年轻轻样样品品。

例例如如，，SteinStein等等(1999)(1999)采采用用了了两两种种不不同同的的分分析析方方法法对对芬芬兰兰太太古古代代AittojärviAittojärvi金金矿矿中中辉辉钼钼矿矿进进行行了了Re-OsRe-Os定定年年，，得得到到十十分分一一致致的的成成矿矿年年龄龄(2798(2798～～2810Ma)2810Ma)，，SuzukiSuzuki等等(1996)(1996)报道了小于报道了小于10Ma10Ma的辉钼矿的的辉钼矿的Re-OsRe-Os年龄Re-Os法与典型矿床成矿时代Re-Os法与典型矿床成矿时代Re-Os法与典型矿床成矿时代Re-Os法与典型矿床成矿时代Morelli et al., 2004Re-Os法与典型矿床成矿时代Ø辉钼矿的虽然辉钼矿的Re-Os法测年技术成熟，应用成果也很多，但近年来也发现有些金属矿床辉钼矿的Re-Os存在解耦的问题；Ø黄铁矿等多数硫化物矿物含Re量明显偏低，并含有一定程度的普通Os，对样品化学制备过程中低本底的要求很高，一般实验室难以达到，普通Os也难以准确扣除；Ø除辉钼矿外，后期的热液活动有时可以使Os同位素发生重置，因此，金属硫化物Re-Os同位素体系封闭温度及其影响因素是一个亟待解决的问题。

Re-Os法定年存在的问题：U-Pb法确定成矿时代斑岩-浅成低温热液型成矿模型：与岩浆作用有关：U-Pb锆石定年乳山金青顶金矿含金石英脉型内锆石SHRIMP年龄测定U-Pb法确定成矿时代金青顶金矿含金石英脉中热液锆石和围岩花岗岩中锆石U-Pb法确定成矿时代含金石英脉内锆石：117±3MaU-Pb法确定成矿时代含金石英脉内锆石中捕获有和成矿热液性质一致的CO2-H2O流体包裹体含金石英脉内锆石为热液成因金属矿床热液锆石金属矿床热液锆石U-PbU-Pb定年法存在的问题：定年法存在的问题：(1)石英脉中的锆石往往具有多来源、多成因的特点；石英脉中的锆石往往具有多来源、多成因的特点；(2)含金石英脉中锆石的含量一般很少含金石英脉中锆石的含量一般很少金金属属矿矿床床锆锆石石U-PbU-Pb年年代代学学研研究究的的关关键键是是将将热热液液锆锆石石与与捕捕获获锆锆石石有有效效地地区区分分开开来来，，对对锆锆石石的的形形貌貌、、结结构构、、微微量量元元素素组组成成( (包包括括普普通通铅铅的的含含量量) )、、Lu-HfLu-Hf和和氧氧同同位位素素、、矿矿物物或或流流体体包包裹裹体体特特征征等等进进行行系系统统研研究究及及综综合合分分析析，，可可以以较较好好地地识识别别热热液液锆锆石石，，将将继继承承锆锆石石、、岩岩浆浆锆锆石石和和热热液液锆锆石石区区分分开开来来，，才才有有可可能能获获得精确的成矿年龄数据。

得精确的成矿年龄数据U-Pb法确定成矿时代Ar-ArAr-Ar法法测试手段：测试手段：(1) (1) 阶阶段段加加热热法法：：采采用用分分阶阶段段升升温温法法并并对对每每个个温温度度阶阶段段释释放放的的氩氩进进行行纯纯化化和和质质谱谱测测定定，，这这样样，，对对任任何何一一个个样样品品可可得得到到一一系系列列表表面面年年龄龄若若以以这这些些表表面面年年龄龄为为纵纵坐坐标标，，与与这这些些表表面面年年龄龄相相对对应应的的、、释释出出氩氩的的累累积积百百分分数数为为横横坐坐标标，，即即可可获获得得样样品品的的年年龄龄谱谱图图在在年年龄龄谱谱图图上上可可以以找找到到从从ArAr保保持持最最好好的的晶晶格格位位置置上上释释放放出出4040ArAr和和3939ArAr的的温温度度阶阶段段，，这些温度阶段的年龄将非常一致形成年龄坪；这些温度阶段的年龄将非常一致形成年龄坪；(2) (2) 激激光光显显微微探探针针4040Ar-Ar-3939ArAr定定年年法法：：该该方方法法原原理理是是从从岩岩石石手手标标本本上上切切下下薄薄块块( (几几十十至至几几百百mm)mm)抛抛光光，，经经反反应应堆堆快快中中子子照照射射后后置置于于超超高高真真空空系系统统中中，，用用脉脉冲冲激激光光束束使使研研究究的的微微区区熔熔化化析析出出ArAr，，然然后后用用质质谱谱计计进进行行微微量量ArAr同同位位素素分分析析，，最后计算年龄；最后计算年龄；(3) (3) 流体包裹体流体包裹体4040Ar-Ar-3939ArAr真空击碎和阶段加热法真空击碎和阶段加热法Ar-Ar法确定成矿时代蚀变岩型金矿成矿年龄测定绢云母Ar-Ar法Ar-Ar法确定成矿时代焦家矿田Ar-Ar法确定成矿时代120±1MaAr-Ar法确定成矿时代Li et al., 2003PhillipsPhillips和和Miller(2006)Miller(2006)对对澳澳洲洲西西部部YilgarnYilgarn金金矿矿中中的的黄黄铁铁矿矿做做了了单单颗粒激光探针和单阶段真空击碎颗粒激光探针和单阶段真空击碎4040Ar/Ar/3939ArAr定年尝试。

定年尝试Ar-Ar法确定成矿时代GeologyPhillipsPhillips和和Miller(2006)Miller(2006)对对澳洲西部澳洲西部YilgarnYilgarn金矿中金矿中的黄铁矿做了的黄铁矿做了单颗粒激光探单颗粒激光探针和单阶段真针和单阶段真空击碎空击碎4040Ar/Ar/3939ArAr定年定年尝试Ar-Ar法确定成矿时代4040Ar/Ar/3939ArAr年龄：黄铁矿中蚀变矿物白云母年龄！年龄：黄铁矿中蚀变矿物白云母年龄！Ar-Ar法确定成矿时代利用利用4040Ar-Ar-3939ArAr法确定成矿时代的优点：法确定成矿时代的优点：①① 它测定的对象广泛且用量较少；它测定的对象广泛且用量较少；②② 分分阶阶段段加加热热法法得得到到的的年年龄龄谱谱往往往往反反映映了了该该矿矿物物的的热热演演化化史史，，并且根据等时线获得的初始值可判断样品中是否含有过剩氩并且根据等时线获得的初始值可判断样品中是否含有过剩氩利用利用4040Ar-Ar-3939ArAr法确定成矿时代存在法确定成矿时代存在的的问题：问题：①① 氩氩是是一一种种惰惰性性气气体体，，含含钾钾矿矿物物粒粒径径对对4040Ar-Ar-3939ArAr法法有有一一定定的的制制约约，，特特别别是是对对于于多多期期次次的的矿矿床床，，后后期期的的构构造造热热事事件件使使得得氩氩同同位位素素体体系系有有不不同同程程度度的的开开放放，，不不同同形形态态矿矿物物的的扩扩散散方方式式不不完完全全相相同同，，如如果果样样品品中中不不同同程程度度有有效效保保存存着着其其中中的的氩氩，，并并存存在在过过剩剩氩氩，，则其年龄谱就会变得比较复杂而难以解释；则其年龄谱就会变得比较复杂而难以解释；②② 测定石英流体包裹体测定石英流体包裹体4040Ar-Ar-3939ArAr年龄存在着次生包裹体的影响；年龄存在着次生包裹体的影响；③③ 在在中中子子照照射射过过程程中中，，部部分分样样品品( (如如伊伊利利石石) )会会存存在在3939ArAr反反冲冲而而丢丢失。

失Ar-Ar法确定成矿时代Rb-Sr法确定矿床形成年龄采用Rb-Sr等时线法测定金属矿床的成矿年龄不是件容易的事，但由于Rb-Sr法测试流程成熟、数据可靠，在年龄测定过程中，所获得的(87Sr/86Sr)i值还可用来推测成矿物质的来源，而目前的实验技术可以检测矿物中极微量的Rb和Sr(达10-11～10-12)及其同位素组成，目前采样测定蚀变和热液矿物、矿石矿物以及矿石和脉石矿物中的流体包裹体等来进行Rb-Sr法成矿年龄的测定Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法要求样品同源、同时、具有相同的同位素初始比值、形成后处于封闭体系和Rb/Sr比值具差异性由于成矿体系为相对开放体系，成矿过程中存在复杂的水/岩相互作用，成矿期后的流体、构造和岩浆活动等还可能改变其原来的矿物组合，从金属矿床中采集的样品很难满足Rb-Sr等时线定年的基本前提条件除了在野外和室内详细研究成矿作用的多期性和阶段性，认真进行矿物共生组合研究，并仔细挑选属于同一成矿期次的蚀变矿物外，还必须对构成等时线的样品进行筛选 胶东金矿床的成矿时代Rb-Sr法确定矿床形成年龄金沉淀与多金属硫化物密切相关Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄黄铁矿Rb-Sr法年龄: 122 – 123 MaRb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄Rb-Sr法确定矿床形成年龄硫砷砣汞矿Carlin型金矿是一种很重要的金矿类型，但由于缺乏适合定年的矿物，对这类金矿的定年研究一直是个难题。

在美国内华达的一些Carlin型金矿中存在一种含Tl的硫砷砣汞矿岩相学证据以及它含有很高的金含量，证明它是与载金的含砷的黄铁矿同期形成的由于Cs和Tl与Rb的类质同相置换，硫砷砣汞矿含有很高的Rb含量和Rb/Sr比值，使得它适合于Rb-Sr定年Tretbar等(2000)利用硫砷砣汞矿的Rb-Sr同位素组成，获得了美国内华达Getchell金矿的精确成矿年龄为39.0±2.1 MaRb-Sr法确定矿床形成年龄硫砷砣汞矿除黄铁矿外，已有学者利用Rb-Sr同位素定年法对黄铜矿(Wan et al., 2009)、白钨矿(Darbyshire et al., 1996)和闪锌矿(Christensen et al., 1995)等矿石矿物进行了Rb-Sr测试，获得了合理的年龄结果Sm-Nd法确定成矿时代硫砷砣汞矿Sm-Nd同位素定年技术应用于热液成矿定年，需要成矿热液系统满足以下条件：Ø从该热液体系沉淀的矿物容纳有足够量的稀土元素；Ø相对于Sm、Nd，矿物结晶后处于封闭状态；Ø矿物中Sm、Nd发生了分馏Sm-Nd法确定成矿时代硫砷砣汞矿白钨矿常见于许多夕卡岩型和脉状钨矿床中，也常常是热液金矿、特别是绿岩带金矿的一种常见的伴生矿物。

由于白钨矿中稀土含量很高，也具有高的Sm/Nd比值，因此可以用来进行Sm-Nd定年同时，它具有高含量的Sr和很低含量的Rb，其Sr同位素组成就可以代表初始成矿流体的Sr同位素组成，也用来示踪流体来源(Voicu et al., 2000)Bell等(1989)最早用白钨矿的Sm-Nd同位素体系对加拿大太古宙Abitibi绿岩带金矿进行了定年，获得一条等时线年龄(2403±47 Ma)随后有很多利用白钨矿对绿岩带金矿或者钨矿进行成功定年的例子(Darbyshire, et al., 1996; Eichhorn et al., 1997；Kempe et al., 2001) Sm-Nd法确定成矿时代硫砷砣汞矿乌兹别克斯坦穆龙套巨型金矿床：3000吨AuSm-Nd法确定成矿时代硫砷砣汞矿乌兹别克斯坦穆龙套巨型金矿床：2期白钨矿脉体Sm-Nd法确定成矿时代硫砷砣汞矿2期白钨矿脉体：Sm-Nd定年湖南锡矿山锑矿成矿时代方解石Sm-Nd法Sm-Nd法确定成矿时代l l湖南锡矿山锑矿成矿时代 二期方解石-硫化物脉体Sm-Nd法确定成矿时代湖南锡矿山锑矿成矿时代Sm-Nd法确定成矿时代156 Ma124 Ma利用矿石矿物Sm-Nd同位素来定年的缺点与用Rb-Sr同位素定年的缺点相似，成矿热液有时处在一种开放体系(如流体的运移或混合的过程)，不能满足等时线理论所要求的基本前提，这都会给成矿年龄带来较大的不确定性。

对于具体的矿床，只有通过尝试才可知道能否给出有意义的年龄数据，况且Sm和Nd元素性质的相似性往往使矿石矿物具有相似的Sm/Nd比值，不利于进行等时线定年另外因147Sm半衰期较长，不适用于较年轻矿床的定年Sm-Nd法确定成矿时代金金属属矿矿床床成成矿矿年年龄龄的的确确定定是是一一件件十十分分重重要要但但是是难难度度又又很很大大的的工工作作针针对对一一个个具具体体的的矿矿床床，，在在进进行行成成矿矿年年代代学学研研究究时时，，要要尽尽可可能能地地采采取取不不同同的的测测定定方方法法，，使使得得出出的的结结果果在在测测试试误误差差范范围围内内相相一一致致，，如如果果产产生生明明显显的的矛矛盾盾，，则则要要对对年年龄龄数数据据本本身身及及确确定定的的相相对对地地质质事事件件序序列列进进行行重重新新研研究究，，应应尽尽量量避避免免根根据据一一、、二个年龄数据妄下结论的做法二个年龄数据妄下结论的做法在在成成矿矿年年代代学学研研究究工工作作中中除除实实验验数数据据准准确确无无误误外外，，极极为为重重要要的的一一点点是是要要建建立立在在翔翔实实的的室室内内外外观观察察和研究工作基础之上和研究工作基础之上。

结 语Rasskazov Rasskazov SV, SV, Brandt Brandt SB, SB, Brandt Brandt IS. IS. 2010. 2010. Radiogenic Radiogenic Isotopes Isotopes in in Geologic Geologic Processes. Processes. Berlin Berlin HeidelbergHeidelberg: : Springer-VerlagSpringer-Verlag陈陈岳岳龙龙, , 杨杨忠忠芳芳, , 赵赵志志丹丹. . 2005. 2005. 同同位位素素地地质质年年代代学学与与地地球球化化学学. . 北京北京: : 地质出版社地质出版社补充读物。