U-Pb同位素测年方法及应用综述

摘要：U-Pb同位素定年技术是应用最广的重要经典同位素定年技术之一，具有其他许多同位素测年技术无法相比的优点。本文介绍了U-Pb同位素体系测年的基本原理和样品要求，并整理了U-Pb法同位素定年常用矿物用有锆石、斜锆石、金红石、磷灰石、锡石。最后对U-Pb同位素测年方法进行了整体介绍。

关键词：U-Pb;测年

一 基本原理和前提

1.1基本原理

同位素地质年龄测定依据元素放射性衰变的原理。放射性是指原子核自发地放射各种射线（粒子）的现象。在磁场中研究放射性的性质时，发现射线是由α、β、γ等3种射线组成的。α射线是高速运动的粒子流，粒子由2个质子和2个中子组成，实际上就是He原子核。β射线是高速运动的电子流。γ射线是波长很短的电磁波。能自发地放射各种射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素放射出α或β射线而发生核转变的过程称放射性衰变，衰变前的放射性同位素为母体，衰变过程中产生的新同位素叫子体。若放射性母体经过一次衰变就转变为另一种稳定的子体，称为单衰变。

1.2前提

由于各同位素体系的放射性同位素具有不同的衰变速率（或半衰期不同）和不同的地球化学特征，这使得每个同位素体系定年都具有独特优点和适用范围。但是，作为同位素体系定年的基本前提和限制条件是相同的，即：

（1）用来测定地质年齡的放射性同位素有适宜的半衰期T1。与测定的对象年龄相比，不宜过大，也不宜过小，且半衰期和衰变常数能被准确测定。

（2）能够准确测定母体同位素组成和每个同位素的相对丰度。无论是在自然界的矿物、岩石中，还是在人工合成物中，这个相对丰度应该是固定不变的，即是一个常数。

（3）母体同位素衰变的最终产物必须是稳定同位素，用当前的仪器设备和技术水平能准确测定出母子体含量及同位素组成。

（4）岩石及矿物自形成后处于封闭体系，没有母子体的加入或丢失。

（5）在岩石或矿物形成过程中和形成以后，同位素体系从开放体系过渡到封闭体系，所经历的时间相对于封闭体系所维持的时间是短暂的，从部分封闭到完全封闭所经历的时间可忽略不计。上述的5个方面，既是作为同位素地质年龄测定的基本假设前提，也是放射性同位素体系定年方法的限制条件。根据不同的地质背景和年代学研究目的，选择适宜的方法，是保证取得可靠年龄信息的重要前提。

二 U-Pb法同位素定年常用矿物

（1）锆石是自然界中广泛存在的一种副矿物，出现在各种各样的岩石，包括沉积岩、岩浆岩和各种变质岩中。锆石的化学成分主要是Zr SiO4，此外还含有U、Th、Pb及稀土等微量元素。锆石以其在自然界中存在的普遍性、化学成分的多样性以及经受各种物理化学作用而基本不变的耐久性等特点而成为最适合进行U-Pb同位素定年的矿物之一。

（2）斜锆石矿物成分（ZrO2）单一，结构简单，成因明确（岩浆结晶成因），存在于各种硅不饱和的基性-超基性岩石，包括碳酸岩，金伯利岩，碱性辉长岩，正长岩和辉长岩等岩石中。斜锆石的U-Pb含量较高而非放射成因的初始普通铅含量却很低，是非常适合进行U-Pb同位素测年的矿物，容易得到比较精确而且地质意义明确的U-Pb同位素年龄。

（3）金红石矿物成分（TiO2）单一，结构简单，稳定而不易受后期地质事件的影响，广泛存在于火成岩和变质岩中。金红石的U-Pb同位素体系封闭温度较低（420～38000C），因此被成功应用于高级变质地体冷却史的研究。

（4）磷灰石是一种分布广泛的副矿物，存在于多种不同类型的岩石中。与锆石相比，磷灰石的U-Pb同位素体系封闭温度较低（600～5000C）。

（5）锡石是锡多金属矿床中重要的矿石矿物，属于金红石族，当其有较高的铀-钍含量时，可以作为U-Th-Pb和Pb-Pb同位素测年的对象。因此，利用锡石U-Pb同位素测年直接测定锡多金属矿床的成矿（锡矿化）时代，是很有潜力的一种直接测定矿床成矿时代的技术方法。

三 U-Pb法同位素定年

U-Pb法是最早用来测定地质年龄的放射性方法之一。早在1907年波尔特伍德就开始利用U的放射性衰变规律进行矿物年龄测定的研究，他根据U的衰变速率和U矿物中U、Pb的含量计算矿物的年龄，建立了化学U-Pb法（称粗铅法）。1935年尼尔用改进的质谱计分析了U、Th、Pb的同位素组成后，建立了同位素U-Pb法。许多学者对影响年龄的因素进行了广泛深入的研究，进一步改进了U、Th、Pb的测定技术，同时研究了数据处理方法，使U-Pb法的应用范围迅速扩大。U-Pb法既适用于古老岩体和矿物样品的年龄测定，也适用于年轻样品;既能测定成岩时代，也能测定成矿时代;既可测定原生矿物的年龄，也能测定变质矿物的年龄和变质时间。此外， 1个样品用此法可以同时得到4个年龄值。根据4个年龄值相互对比，能够提高确定年龄结果的可靠性。而根据4个年龄值之间的非一致性特征，来探讨岩体或矿物所经历的地质过程。因此本法在同位素地质年代学中占有重要的地位。

参考文献

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