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锆石铀铅测年:两条衰变链落在协和线上才算数

花岗岩薄片里一颗不到 0.2 毫米的锆石,能给出 2.5 亿年。它的可信度不来自「测得准」,而来自两条独立的铀衰变链给出同一个答案,并且这个答案落在一条叫协和线的曲线上。

锆石结晶时收铀排铅,一开始的子体几乎是零

锆石是硅酸锆,晶格里铀可以顶替锆的位置,铅却因为半径与电荷不匹配被挡在外面。新结晶的锆石因此几乎不含铅,子体起点接近零,测年最难的初始值问题被矿物本身解决了。

它还极耐磨、耐蚀、耐高温。铅在锆石里的封闭温度高于 900 ℃,普通变质作用不足以让它明显丢铅。这两条性质叠加,使锆石成为火山灰定年与碎屑岩物源分析的首选矿物。

两条链各给一个年龄,重合才叫协和

铀238 按 44.68 亿年的半衰期变成铅206,铀235 按 7.04 亿年变成铅207。同一颗锆石里两条链并行,各自算出一个年龄。把铅206/铀238 与铅207/铀235 投到图上,一致的点落在一条曲线上,这条线就是协和线。

落在线上,说明样品自结晶以来没有丢过铅,两个年龄相等,称为协和年龄。落在下方,说明铅丢了,年龄偏年轻;落在上方,通常意味着继承核或过剩铅。协和性本身就是一次内部质检。

铅丢失造成的偏离,可以用交点反推原始年龄

变质、流体活动或放射性损伤都会让锆石丢铅。丢铅程度不一的颗粒在协和图上排成一条直线,称为不一致线。它与协和线的上交点接近原始结晶年龄,下交点则标记后期事件的时代。

所以一组不一致的锆石并不等于废样,反而能读出两期历史。真正麻烦的是继承核:老锆石被新岩浆捕获,激光点打穿核边混合,得到的年龄介于两者之间。打点前先看阴极发光图像,避开核部。

年轻岩石用铅206/铀238,老岩石用铅207/铅206

铀235 半衰期短,早就衰变得差不多了。对 10 亿年以上的老岩石,铅207/铅206 比值变化明显,误差更小;对年轻样品,这个比值几乎不动,只能用铅206/铀238。

碎屑锆石是另一套读法:一颗颗测过去,得到年龄谱,最年轻的一群限制地层下限,最老的一群指示物源。谱峰只代表物源区的结晶事件。把谱峰当地层年龄,是碎屑锆石最常见的误读。

关键数据

下列数值为方法层面的常见量级,具体误差随仪器、标样与样品状态变化。

  • 铀238 半衰期 44.68 亿年,铀235 为 7.04 亿年
  • 锆石中铅的封闭温度高于 900 ℃
  • 单颗锆石常见粒径 0.1–0.4 毫米
  • 协和年龄的相对误差可做到 0.1% 量级
  • 地球最老锆石约 44 亿年,采自澳大利亚西部
  • 锆石铀含量从数十至数千 ppm 不等
  • 高铀、强退晶质化的锆石更容易丢铅

锆石年龄说的是晶体结晶,不是岩石成形

锆石可以在岩浆早期结晶,也可以来自围岩。火山岩里的锆石若含老核,年龄会偏老;深成岩冷却慢,锆石年龄可能早于岩体侵位完成的时间。沉积岩里的锆石更只是物源信息。

本文判断:锆石年龄最可靠的用法,是配合野外产状与其它矿物年龄一起解读。单颗锆石的漂亮数字若与接触关系冲突,应当让位于地质关系。锆石只记得自己结晶的那一瞬,不记得整段历史。

参考文献

  • Dickin A. P. Radiogenic Isotope Geology. Cambridge University Press. —— 铀铅体系与协和图解。
  • Wetherill G. W. Discordant uranium-lead ages. Transactions, American Geophysical Union, 1956. —— 不一致线的提出。
  • Faure G., Mensing T. M. Isotopes: Principles and Applications. Wiley. —— 锆石定年与封闭性。
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文章名称:锆石铀铅测年:两条衰变链落在协和线上才算数
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