同一条花岗岩剖面,角闪石给出 3.2 亿年,黑云母给出 3.0 亿年。两个数字差 2,000 万年,不是谁测错了,而是它们各自记录了岩体冷却到不同温度的时刻。
氩是气体,温度一高就从晶格里漏掉
钾40 有两种衰变方式,约 89% 变成钙40,约 10.7% 以电子俘获变成氩40,半衰期 12.5 亿年。氩是惰性气体,不参与化学键,在晶格里只是个挤进去的客人,温度一高就往外扩散。
所谓封闭温度,是扩散损失变得可以忽略的温度门槛。低于它,氩被锁住,钟开始计时;高于它,氩不断逃逸,钟归零。所以氩氩年龄记录的是冷却,不是结晶,这是它最容易被误读的地方。
不同矿物的封闭温度不同,一串年龄就是一条冷却曲线
角闪石的封闭温度约 500 ℃,白云母约 350 ℃,黑云母约 300 ℃,钾长石低到 200 ℃ 上下。同一个岩体里,这些矿物给出的年龄从老到新依次排列,斜率就是冷却速度。
冷却快,封闭温度会略微上移,年龄差距缩小;冷却慢,差距拉大。侵入体边部与核部的年龄差,常被用来估算剥露速率。把一组矿物年龄按封闭温度排序,比单看一个数字信息量大得多,也更贴近岩体的实际冷却史。
阶段加热给出坪年龄,坪平不平就是可信度
氩氩法先用中子照射样品,把钾39 转成氩39,再逐步加热,让氩在不同温度下分批释放。每一阶段的氩39 与氩40 之比都能算一个年龄,把释放曲线画出来,稳定段就是坪。
一个合格的坪通常要求至少 3 个连续阶段、覆盖 50% 以上的氩39,且各阶段年龄在两倍标准差内一致。坪不平,说明样品里有过剩氩、氩丢失或包裹体干扰。坪的平坦度,比坪年龄本身更能说明问题。
过剩氩让年龄偏老,氩丢失让年龄偏年轻
过剩氩是岩浆或流体带来的、与钾无关的氩40,混进矿物后使年龄虚高。反等时线图能把过剩氩识别出来:数据点若不落在一条截距合理的直线上,就说明有外来氩。
氩丢失则相反。蚀变、脱玻化、包裹体爆裂都会让氩逸出,年龄偏年轻。玄武岩基质最容易出这个问题,所以常挑斑晶中的斜长石或角闪石,而不是整块岩石。样品新鲜度决定氩氩法的下限。
关键数据
下列数值为常见封闭温度与实验参数,具体取值随冷却速率、矿物成分与实验条件变化。
- 钾40 半衰期 12.5 亿年
- 钾40 约有 10.7% 经电子俘获变成氩40
- 角闪石封闭温度约 500 ℃,黑云母约 300 ℃
- 合格坪要求至少 3 个连续加热阶段
- 坪应覆盖 50% 以上的氩39 释放量
- 阶段加热通常分 10–20 步
- 坪年龄的内部误差常优于 1%
冷却年龄不是形成年龄,慢冷岩体差得最远
深成岩冷却慢,锆石结晶到黑云母封闭之间可能隔上百万年。此时氩氩年龄与锆石铀铅年龄的差值,反映的是冷却历史,不是分析误差。差值的大小直接对应冷却速率,与样品好坏无关,也不该拿两个数字去互相校正,更不能用它推断侵位的精确时刻。
后期热事件也会改写记录。一次区域变质只要温度超过封闭温度,原来的氩就全部或部分丢失,年龄向变质时间靠拢。本文判断:读氩氩年龄,先问岩体是喷出还是侵入,再问有没有后期热叠加。
参考文献
- McDougall I., Harrison T. M. Geochronology and Thermochronology by the 40Ar/39Ar Method. Oxford University Press. —— 方法与应用。
- Dodson M. H. Closure temperature in cooling geochronological and petrological systems. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1973. —— 封闭温度理论。
- Dickin A. P. Radiogenic Isotope Geology. Cambridge University Press. —— 氩体系与过剩氩。