成矿年代学综述PPT课件.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 1 原理篇 放射性同位素的衰变同位素地质年代学的基本原理常用同位素年代学测试方法实验仪器及微区原位分析 2 3 相对年龄方法 P 地层 侵位 化石 4 绝对年龄测定 放射性同位素 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 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 5 原子序数 83 质量数 209的同位素都是放射性同位素 6 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 衰变种类 衰变 衰变电子捕获重核裂变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 7 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2 Z Z 2N N 2A A 4 8 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 n Z Z 1N N 1A A 9 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 n Z Z 1N N 1A A 10 重核裂变 重同位素自发地分裂成2或3个原子量大致相同的碎片 238U 235U和232Th等重核都可以发生这类裂变 11 同位素地质年代学的基本原理 同位素衰变有下列性质 Rutheford 1902 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 衰变自发地不断进行 并有衡定的衰变比例 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 衰变前和衰变后核数的原子数只是时间的函数 12 同位素衰变定律 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 dN dt lN N 在t时刻存在的母体原子数l 衰变常数 单位时间内发生的衰变 单位 s 1 No 当t为0时衰变母体原子数 13 同位素半衰期 14 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 15 母体衰变和子体形成 16 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 17 同位素地质年代学年龄计算公式 18 同位素年代学年龄测定的前提 19 常用同位素年代学测试方法 20 Re Os法 Re同位素组成 185Re 37 398 0 016 187Re 62 602 0 016 21 187Re 187Os衰变体系 衰变方程 187Re 187Os 衰变常数 187Re 1 666 10 11a 1估计误差为 1 22 Re Os法年龄计算方程 187Os 187Re elT 1 187Os 188Os 187Re 187Os elT 1 187Os 188Os 187Os 188Os T 187Re 187Os elT 1 23 T 1 l ln 187Os 187Re 1 适用于辉钼矿T 1 l ln 187Os 188Os 187Re 187Os 1 适用于辉钼矿T 1 l 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 24 辉钼矿幔源硫化物黑色页岩玄武岩热液成因硫化物超基性岩 Re和Os含量降低 Re Os定年的适用性 25 26 238U衰变链 中子数 质子数 U Th Pb法 衰变 衰变 27 238U235U 2ion 4ion 206Pb207Pb208Pb204Pb 2ion 238U 206Pb 8 1 55125E 10yr 1t1 2 4 468E9yr U Th Pb体系 232Th 4ion 235U 207Pb 5 9 8485E 10yr 1t1 2 0 7038E9yr 232Th 208Pb 2 14 010E 10yr 1t1 2 4 9475E9yr 一致年龄 28 207Pb 206Pb年龄 29 U Pb一致曲线图 T形成 T丢失 Pb丢失U积聚 U丢失 30 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 31 39K40K41K 1ion 36Ar38Ar39Ar40Ar K 衰变 Ar K Ar法 40K 89 40Ca 11 40Ar 32 K Ar法年龄计算方程 33 K Ar法研究对象和适用性 34 Ar Ar法 35 Ar Ar法分步加热技术 39Ar析出分量 年龄 Ma 坪年龄 Releasefrominterior Releasefromedges 36 Rb 衰变 Sr Sr有多个同位素 84 85 86 87 88只有87Sr是放射成因来源 87Rb Rb Sr法 37 87Rb87Sr 38 86Sr是稳定同位素 不可能由其它同位素衰变生成 39 87Sr 86Sr初始比 40 a b c to Rb Sr等时线的形成 86Sr 87Sr 86Sr 87Rb 86Sr 87Sr o 41 a b c a1 b1 c1 t1 to 86Sr 87Sr 86Sr 87Rb 86Sr 87Sr o Rb Sr等时线的形成 42 a b c a1 b1 c1 t1 to 86Sr 87Sr 86Sr 87Rb 86Sr 87Sr o Rb Sr等时线的形成 43 Rb Sr等时线法 44 Rb Sr等时线示意图 45 Rb Sr法研究对象和适用性 46 147Sm 3ion 143Nd144Nd 3ion 147Sm 143Nd 4He Sm Nd法 Sm 衰变 Nd Sm Nd法年龄计算方程 47 Sm Nd法研究对象和适用性 48 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 CHondriticUniformReservoir 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 512638 0 1967 对地壳样品 49 实验仪器及微区原位分析 同位素稀释法 溶样 超净实验室 Rb SrandREEfromothers SmandNdfromotherREEs 50 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 51 SHRIMP分析 微区原位年龄测试 高分辨率二次离子探针质谱计SHRIMPSHRIMP可对锆石微区定年不但可厘定不同颗粒的形成时代 还可精确测定一颗形状如针尖大小 m 的锆石晶体内从内核到外部不同区域相差数亿年的生长年龄 借助SHRIMP 一个锆石样品的定年可以给出该岩石经历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 52 53 LA ICPMS 激光器光路观察系统样品池气溶胶传输系统 应用篇 矿床学研究中常用年代学测试方法Re Os法与典型矿床成矿时代U Pb法确定成矿时代Ar Ar法确定成矿时代Rb Sr法确定矿床形成年龄Sm Nd法确定成矿时代 54 内生成矿作用 55 矿床学研究中常用年代学测试方法 56 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 57 58 在金属矿床的年代学研究中 Re Os同位素定年方法最大的优点是能直接对金属矿物进行定年 并且该方法具有较大的年龄测定范围 既可以测定古老样品 也可以测定年轻样品 例如 Stein等 1999 采用了两种不同的分析方法对芬兰太古代Aittoj rvi金矿中辉钼矿进行了Re Os定年 得到十分一致的成矿年龄 2798 2810Ma Suzuki等 1996 报道了小于10Ma的辉钼矿的Re Os年龄 Re Os法与典型矿床成矿时代 59 Re Os法与典型矿床成矿时代 60 Re Os法与典型矿床成矿时代 61 Re Os法与典型矿床成矿时代 62 Morellietal 2004 63 Re Os法与典型矿床成矿时代 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 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 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 64 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 65 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 66 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 67 含金石英脉内锆石 117 3Ma U Pb法确定成矿时代 68 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 69 金属矿床热液锆石U Pb定年法存在的问题 石英脉中的锆石往往具有多来源 多成因的特点 含金石英脉中锆石的含量一般很少 金属矿床锆石U Pb年代学研究的关键是将热液锆石与捕获锆石有效地区分开来 对锆石的形貌 结构 微量元素组成 包括普通铅的含量 Lu Hf和氧同位素 矿物或流体包裹体特征等进行系统研究及综合分析 可以较好地识别热液锆石 将继承锆石 岩浆锆石和热液锆石区分开来 才有可能获得精确的成矿年龄数据 U Pb法确定成矿时代 70 Ar Ar法测试手段 1 阶段加热法 采用分阶段升温法并对每个温度阶段释放的氩进行纯化和质谱测定 这样 对任何一个样品可得到一系列表面年龄 若以这些表面年龄为纵坐标 与这些表面年龄相对应的 释出氩的累积百分数为横坐标 即可获得样品的年龄谱图 在年龄谱图上可以找到从Ar保持最好的晶格位置上释放出40Ar和39Ar的温度阶段 这些温度阶段的年龄将非常一致形成年龄坪 2 激光显微探针40Ar 39Ar定年法 该方法原理是从岩石手标本上切下薄块 几十至几百mm 抛光 经反应堆快中子照射后置于超高真空系统中 用脉冲激光束使研究的微区熔化析出Ar 然后用质谱计进行微量Ar同位素分析 最后计算年龄 3 流体包裹体40Ar 39Ar真空击碎和阶段加热法 Ar Ar法确定成矿时代 71 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 72 焦家矿田 Ar Ar法确定成矿时代 73 120 1Ma Ar Ar法确定成矿时代 Lietal 2003 74 Phillips和Miller 2006 对澳洲西部Yilgarn金矿中的黄铁矿做了单颗粒激光探针和单阶段真空击碎40Ar 39Ar定年尝试 Ar Ar法确定成矿时代 Geology 75 Phillips和Miller 2006 对澳洲西部Yilgarn金矿中的黄铁矿做了单颗粒激光探针和单阶段真空击碎40Ar 39Ar定年尝试 Ar Ar法确定成矿时代 76 40Ar 39Ar年龄 黄铁矿中蚀变矿物白云母年龄 Ar Ar法确定成矿时代 77 利用40Ar 39Ar法确定成矿时代的优点 它测定的对象广泛且用量较少 分阶段加热法得到的年龄谱往往反映了该矿物的热演化史 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 利用40Ar 39Ar法确定成矿时代存在的问题 氩是一种惰性气体 含钾矿物粒径对40Ar 39Ar法有一定的制约 特别是对于多期次的矿床 后期的构造热事件使得氩同位素体系有不同程度的开放 不同形态矿物的扩散方式不完全相同 如果样品中不同程度有效保存着其中的氩 并存在过剩氩 则其年龄谱就会变得比较复杂而难以解释 测定石英流体包裹体40Ar 39Ar年龄存在着次生包裹体的影响 在中子照射过程中 部分样品 如伊利石 会存在39Ar反冲而丢失 Ar Ar法确定成矿时代 78 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 79 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 80 胶东金矿床的成矿时代 Rb Sr法确定矿床形成年龄 81 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 82 Rb Sr法确定矿床形成年龄 黄铁矿Rb Sr法年龄 122 123Ma 83 Rb Sr法确定矿床形成年龄 84 Rb Sr法确定矿床形成年龄 85 Rb Sr法确定矿床形成年龄 86 Rb Sr法确定矿床形成年龄 87 Rb Sr法确定矿床形成年龄 88 Rb Sr法确定矿床形成年龄 89 Rb Sr法确定矿床形成年龄 90 Rb Sr法确定矿床形成年龄 91 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 1Ma 92 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 Wanetal 2009 白钨矿 Darbyshireetal 1996 和闪锌矿 Christensenetal 1995 等矿石矿物进行了Rb Sr测试 获得了合理的年龄结果 93 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 从该热液体系沉淀的矿物容纳有足够量的稀土元素 相对于Sm Nd 矿物结晶后处于封闭状态 矿物中Sm Nd发生了分馏 94 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 Voicuetal 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 47Ma 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 etal 1996 Eichhornetal 1997 Kempeetal 2001 95 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 96