变质岩的年代测定

矿物和全岩Rb-Sr系统对变质事件的响应可能不同。Rb衰变产生的87Sr在富Rb矿物中占据不稳定晶格，如果受到热冲击(即使其强度低于熔融温度)也倾向于移出晶格。而岩石中的流体保持静止，云母、钾长石等富铷矿物释放的Sr会倾向于被最近的能容纳Sr的矿物(如斜长石、磷灰石)吸收。

使用全岩分析来检查干扰矿物系统的变质事件的想法最初是由康普斯顿和杰弗瑞(1959)提出的。Fairbairn等人(1961)在同位素比率与时间的关系图(图2-7)中对此模型进行了说明。在岩石在时间t0形成后，不同的矿物沿着不同的生长线移动，直到它们在时间tM被热事件均匀化。随后，同位素演化又沿着不同的生长线继续到现在(tP)。该模型中的单个矿物属于变质作用中的开放系统。因此，当每种矿物再次成为封闭系统时，从矿物等时线获得热事件的冷却年龄。然而，在热事件期间，整个岩石的某个最小范围保持有效封闭，可用于确定岩石的初始结晶年龄。

图2-7 r b-Sr矿物系统被变质事件打开而整个岩石保持闭合的效应模式的Sr同位素比值-时间图。

变质作用对矿物和整个岩石系统的影响也可以在等时线图上说明(图2-8，Lanphere等人，1964)。整个系统从水平线开始。同位素随后沿着一条近乎垂直的平行路径演化(由于Y轴坐标的极度放大)。在热事件过程中，同位素比值与全岩值一致。如果这个只涉及87Sr的话，会有一个纵向的变化。然而，图2-8所示的复杂性也可能涉及有限的Rb重新激活。富铷矿物往往遭受一些铷损失，而贫铷矿物可能受到富铷蚀变产物生长的污染，导致一定程度的不可预测的变化方向(R)。热事件后，整个岩石演化继续其自然方向，而矿物系统形成等时线，其斜率获得变质年龄。

Wetherill等人(1968)对巴尔的摩片麻岩的研究(图2-9)提供了对同一岩体进行全岩和矿物分析以确定深成岩和变质过程的实例。几种矿物的等时线均获得了290 Ma左右的年龄，解释为同位素均一化伴随阿巴拉契亚造山运动后矿物系统的闭合时间。矿物等时线数据点的良好拟合是变质事件中矿物尺度上完全同位素均一化的证据。相反，全岩样给出的等时线斜率对应1038 Ma。这被解释为片麻岩的火成岩前体的结晶时间。然而，最近的研究表明，在变质作用过程中，甚至整个岩石Rb-Sr系统也可能是开放的。因此，巴尔的摩片麻岩1038 Ma年龄的另一种解释代表了高级变质作用后Rb-Sr全岩系的闭合年龄。全岩石开放系统的更多例子将在下面讨论。

图2-8部分扰动矿物-全岩等时线的假设行为

图2-9 Rb-Sr全岩系(实心圆)和矿物(空心圆)确定的巴尔的摩片麻岩1038Ma深成年龄和285 ~ 292 Ma变质年龄的Rb-Sr数据。

第二，密封温度

Rb-Sr矿物系统在区域变质事件的热脉冲中开启后，势必会再次迎来矿物系统对元素活动关闭的时间。Rb-Sr年龄通过测量不同矿物体系的封闭温度给出了变质地体冷却历史的信息。这是贾格尔等人(1967)和贾格尔(1973)在他们关于中欧阿尔卑斯山的工作中首次揭示的。

Jager等人发现，阿尔卑斯山中部周围低级变质岩中的海西期Rb-Sr年龄(> 200 Ma)在黑云母和白云母中都得到了维持。在以黑云母绿泥石出现为特征的较高变质级别(Jager等人认为相当于300±50℃的温度)，黑云母的Rb-Sr年龄仅为35 ~ 40 Ma。Jager等人认为这些年轻的黑云母Rb-Sr系统在Lepontine变质作用的高峰期是开放的。他们认为，使黑云母在变质峰打开的300℃的温度对应着更高的峰温(如中央十字石变质级> 500℃)，几百万年后时钟重新启动。换句话说，Jager等人的结论是黑云母Rb-Sr体系的封闭温度为300±50℃。

从稍超出十字石-绿泥石界线的白云母Rb-Sr年龄的第一次重新开始，白云母(白云母和多硅酸盐白云母)的封闭温度同样被限制在(500±50)℃(波弟等人，1976)。然而，与黑云母不同，白云母可以在封闭温度下经历初始结晶。因此，即使从阿尔卑斯山的低级变质外带，也可以获得低至35 ~ 40 Ma的年龄。这些年龄被认为代表了变质作用高峰期新云母的生长。这使得白云母比黑云母更不可靠的研究后造山冷却过程的工具。

Jager等人(1967)从阿尔卑斯山中部的辛普伦和哥达获得了12 ~ 16ma的黑云母年龄。这个结果比共生白云母平均年轻8Ma。首先，白云母和黑云母的封闭温度(200℃)之间的年龄差异导致500～300℃之间约25℃/Ma的冷却速率。其次，黑云母年龄给出了300 ℃~ 0 ℃(现今平均地表温度)之间20 ~ 25℃/Ma的冷却速率。这些结果可以用估算的地温梯度(25 ~ 40℃/km)来划分，阿尔卑斯山中部的隆升速率可以计算为0.5 ~ 1.0 km/ma，与现代大地测量学获得的0.4 ~ 0.8 mm/a的隆升速率相当。Rb-Sr、K-Ar和裂变径迹冷却年龄应综合使用，以更新过去隆升速率的计算。

密封温度也可以根据体扩散过程的温度依赖性的计算来确定(Dodson，1973；1970)。理想情况下，Rb-Sr系统的闭合代表Rb和Sr从完全活跃到完全不活跃的瞬间过渡。在快速冷却的火成岩中，结晶过程与这种理想状态非常相似。而在缓慢冷却的区域变质体中，高温的放射性起源87Sr通过扩散逸出晶格的速度与Rb衰变产生的一样快，低温时87Sr的逸出可以忽略(图2-10)。在该体系中，将黑云母等矿物的表面年龄线性外推至低温下87Sr生长线对应的X轴。矿物的年龄相关系统温度定义为矿物的封闭温度(Dodson，1973)。关闭温度取决于冷却速度，因为冷却越慢，子产品部分损失的时间越长，年龄越低(图2-10)。

图2-10是区域变质事件矿物冷却过程中温度和Sr同位素比值随时间变化的示意图。

如果一种矿物与能够去除放射性锶的流体接触，87Sr的损失率取决于通过一定尺寸晶格的整体扩散率。以黑云母为例，这种扩散平行于解理面而非垂直解理占绝对优势。假设遵守阿伦尼乌斯定律，由Dodson(1979)计算出的直径为0.7毫米的黑云母Rb-Sr系统的闭合温度(冷却速率为30℃/Ma)为300℃。这是基于氩在黑云母中扩散的实验研究，因为这两种元素被认为在晶格中具有相似的扩散行为。

由于锶活化易受流体影响，锶封闭温度的解释较为复杂。氩不存在这个问题，因为它是一种惰性气体。因此，氩是研究“热年代学”更可靠的工具。例如，Harrison等人(1985)认为氩气的密封温度与颗粒大小无关。因为它受半径约为0.2毫米的小区域中的扩散控制..他们还测量了类似于多德森计算的黑云母中氩的实验密封温度。因此，这一强有力的证据现在可以支持Jager最初提出的黑云母300℃的封闭温度。

第三，全岩开放系统

20世纪60-70年代，铷锶全岩法被广泛用于确定火成岩的结晶年龄。但到了80年代，由于全岩开放系统行为的确凿证据，使其失去了可靠性。比如变质地体中的Rb-Sr等时线可以得到很好的线性排列，但它的斜率是原岩和变质年龄的无意义平均。这个问题可能是由于需要在一个相当大的地理范围内取样，以便使经常预算/特别提款权比率范围最大化。挪威南部的阿伦达尔紫苏花岗岩就是一个很好的例子(Field等人，1979a，b)。

图2-11挪威阿伦达尔橄榄岩花岗岩中1259MaRb-Sr区的假想“等时线”，由一系列与分离矿物斜率相同的局部等时线组成。

从几平方公里范围内的阿伦达尔紫苏花岗岩的不同露点采集了8个全岩样品。他们主要得到1540 Ma和1060 Ma左右的两组年龄。Field和Raheim(1979a)将较老的时代解释为高品位紫苏花岗岩矿物的形成时代，而较年轻的时代决定了随后的低品位事件的时代。这可以通过与穿过该区域的不规则分布的窄裂缝相关的轻微矿物蚀变得到证实。这一年轻时代的重新启动事件落在该区未变形花岗岩片的(1063±20)Ma误差范围内。

为了证明片麻岩地区轻微扰动对区域取样的影响，Field和Raheim(1979b)在1km2范围内采集了8个样品。数据(图2-11)形成良好的线性排列，视年龄为(1259 26) Ma。其MSWD值为1.58，表明北回归线周围的数据离散可能是分析误差造成的，但没有地质证据证明该事件的存在。因此，Field和Raheim将线性排列归因于紧密分布的梯形排列，其斜率对应于重启年龄(由1035 Ma的矿物等时线确定)。由于各站点Rb/Sr比值的变化范围较小(如站点4，图2-11)，位于各次级等时线上的样本与假想的复合“等时线”偏差不大。因此，可以得出结论，在获得区域地质年龄解释之前，有必要进行详细的取样研究，以了解Rb-Sr系统受干扰地区相关组分的活动情况。

在细粒酸性火山岩中，即使是低级变质也能发生全岩开放系统的行为。由于酸性火山岩与沉积地层呈整体接触，其地层柱状图绝对年龄的校正引起了研究者的关注。他们往往有一个巨大的和可变的Rb/Sr比值，所以他们得到了一个很好的等时线。然而，经验表明，它们特别容易失去放射性，英格兰北部的斯托克代尔流纹岩就是一个很好的例子。

斯托克代尔流纹岩是一种细粒、带状流动熔岩，出现在奥陶纪的最上部。认为其生物地层误差小于0.5 Ma。盖尔等人(1979)确定了16点的全岩等时线，用MSWD=1.92得到(421.3)Ma(2σ)的年龄。他们认为MSWD值可以归因于实验误差，因为数据点相对较少。因此，421 Ma可能代表了熔岩的喷发时间。但如果年代正确，就需要对其他方法确定的奥陶纪年表进行大量的修改。

McKerrow等人(1980)认为，由于Stockdale流纹岩层位于Shap花岗岩接触带，与熔岩的其他部分具有相同的年龄(424 18 Ma)，整个岩群可能在喷发和随后的掩埋过程中受到热液事件的干扰。康普斯顿等人(1982)试图通过熔岩喷发后的重启事件年龄(估计为440 Ma)来解释高于分析误差的过度分散(来自麦克罗等人(1980))。

理想的等时线意味着完全重启，但显然这并没有发生。395Ma(Shap花岗岩的侵入年龄)前的同位素比率可绘制在伪等时线上(图2-12 ),以评估喷发后事件引起的分散。康普斯顿等人发现，如果去掉Rb/Sr比值最高的四个样品和锶含量异常高的另一个样品(5号)，所有其他样品都接近位于440 Ma的参考线。实际上，最小年龄(430±7)Ma是由10点回归得到的。他们注意到，在四个采样点的每个点计算的等时线得到的MSWD值比综合数据低。这一证据警告我们，综合数据不适合构建单一的等时线，尽管它具有有吸引力的和准确的结果。Compston等人从4个局部等时线加权平均得到(412±7)Ma的年龄，并解释为流纹岩的热液蚀变时间。目前，Rb-Sr证据确定了一个真实事件的年龄为412 Ma。许多环境中开放的Rb-Sr系统证据使Rb-Sr等时线法能否作为火成岩结晶的定年工具受到怀疑，用锆石U-Pb法等其他方法完成更有效(第五章第二节)。因此，我们将检验沉积岩Rb-Sr测年方法的有效性。

图2-12英格兰北部Shap花岗岩侵位期间斯托克代尔流纹岩的Rb-Sr伪等时线图(395 Ma前)