6.2.5.1 K-rA法
自然界钾有三个同位素,它们的相对丰度是w(39K)=93.2581%,w(40K)=0.01167%,w(41K)=6.73021%。其中40K是放射性同位素,其衰变是分支衰变过程,即一方面以89.33%的几率通过β-衰变形成40Ca;另一方面以10.67%的几率通过K层捕获衰变成40Ar。由于Ca是常量元素,40Ca又是其中丰度最高的同位素(96.94%),微量的放射成因40Ca所引起的Ca同位素组成变异是难以觉察的,因此K-Ar法计时只能应用40K→40Ar这一分支,计算年龄的方程为:
地球化学
式中只考虑衰变成40Ar*的那部分40K,因此需乘上一个系数λe/λ,λ为40K的总衰变常数,它是λe(表示K层捕获的衰变常数)和λβ(表示β-衰变常数)之和(表6.3)。λ=λe+λβ=0.581×10-10a-1+4.962×10-10a-1=5.543×10-10a-1,变换(6.55)式可得:
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研究时将样品分成两份,一份通过同位素稀释法或通过其他方法测定K含量计算40K;另一份用于测定40Ar(40Ar*=40rA-295.5×rA),目前主要采用同位素稀释法计算获得40Ar。
用式(6.56)计算的年龄必须满足以下条件:①岩石和矿物形成后钾氩体系始终保持封闭;②样品中不存在过剩氩,并对大气氩进行了合理的扣除。实际上这两个条件往往很难满足。一方面,氩是惰性气体,不可能进入矿物晶格,在发生变质、蚀变、风化,甚至机械破碎、辐射损伤、振动波冲击与制样过程等都能导致氩的丢失,从而使K-Ar年龄偏低,或者仅代表最后一次热事件的年龄。另一方面,样品中若混入大气氩或有过剩氩的存在,将使所测定的年龄偏老。因而必须进行混入大气氩的校正或过剩氩的检查,为了避免因氩的丢失或过剩得出错误的年龄值,通常采用K-Ar等时线法计算年龄。
钾是常量元素,可进行K、rA同位素分析的矿物相当多,这是K-Ar法应用的一个优点,但考虑到岩石或矿物对氩的保存性差,并不是所有含钾的岩石或矿物都可用作K-Ar法年龄测定的对象。一般认为,角闪石、黑云母、白云母、高温碱长石等是K-rA法年龄测定的理想矿物,新鲜的粗面岩、玄武岩、辉绿岩等也可给出有地质意义的年龄,沉积岩中的自生矿物海绿石和伊利石,在研究沉积地层的年龄中已受到重视。
6.2.5.2 40Ar-39Ar法
40Ar-39Ar法是将K-Ar法对Ar绝对量的测定变为对Ar同位素比值的测定。该方法的原理是将含钾矿物置于核反应堆中,39K因热快中子照射而形成39Ar,半衰期为269a。测定被照射样品的40Ar/39rA值,并计算年龄:
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式中:J值可通过一个已知年龄的标准样品的(40Ar*/39rA)S来标定:
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式中:40Ar*39/Ar可根据对样品测定的40Ar*/39rA和63Ar*/39rA比值进行计算,即:
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用上述方法所得到的年龄称为“全部氩释放年龄”。这种年龄与常规的K-rA法年龄一样,都要求放射成因40Ar没有从样品中逃逸过,也没有过剩氩的存在。这种年龄测量方法的优点是避开了常规K-rA法中需用两份样品分别测量钾和氩同位素组成所引起的不均一性,从而提高了年龄测定的精度。
40Ar-39Ar法分步加热技术:根据不同矿物中氩的析出特性,选择若干个温度段进行氩萃取,对各个温度段分别计算40Ar-39Ar阶段年龄,做出不同氩析出阶段的年龄谱,它能显示出比常规40Ar-39rA法更多的信息。40Ar-39Ar法分步加热技术可用于讨论岩石的热历史或变质史。图6.10是一个月球玄武岩的40Ar-39Ar的年龄谱图,在图上显示出了三个坪年龄,除了一个39亿年的玄武岩年龄值外,还显示了38亿年和27亿年的坪年龄,后两个年龄很可能反映了月球玄武岩在38亿年前和27亿年前经受过的两次热事件。
图6.10 月球玄武岩40Ar-39Ar坪年龄