南京大学同位素地质学-08Re-Os同位素年代学

1、8、Re-Os同位素年代学同位素年代学q187Re -衰变为衰变为187Os不仅可用来研究铁陨不仅可用来研究铁陨石的来源，还可对石的来源，还可对Cu、Mo硫化物矿物等硫化物矿物等进行定年进行定年q 结合结合Rb-Sr、Sm-Nd、Lu-Hf和和U-Pb同位同位素，可用来研究地幔的分异和陆壳的增长素，可用来研究地幔的分异和陆壳的增长8.1 Re、Os的地球化学性质的地球化学性质Re与Mn和Te属于VIIB族元素，但Re的地球化学性质更接近于Mo。Re是分散元素，在辉钼矿中含量最高（变化于几ppm至1.88%）。只有在CuReS4, (Seyfullin, et al., 1975）矿物中，Re是

2、主要成分。在火成岩中，Re的丰度大致为0.5 ppb。Os在周期表中位于VIIB族，是一个Pt族元素Os具有亲硫的地球化学性质，主要出现在铱锇矿矿物中，包括Os在内的 Pt族元素在含有Cu、Ni硫化物的超基性岩和辉长岩、以及碲化物、硒化物、砷化物和锑化物中含量较高。Os的地壳丰度大致为的地壳丰度大致为0.4 ppb。在太阳系中，在太阳系中，Re、Os的绝对丰度的绝对丰度: Re= 5.07 10-2 个原子个原子/106个个Si原子原子, Os = 7.17 10-1个原子个原子/106个个Si原子原子, Re/Os比值比值0.072。 与金属陨石相比，地球和月球上由硅酸盐矿物组成的岩石极度亏

3、损Re和Os，这是由于亲硫Re、Os的进入了地核的结果。 橄榄岩橄榄岩 Re/Os = 0.081 陨石陨石 Re/Os = 0.083 拉斑玄武岩和花岗岩的拉斑玄武岩和花岗岩的Re/Os比值则高得比值则高得多（多（10-30） 地壳岩石的高地壳岩石的高Re/Os比值主要是由于比值主要是由于Os含含量降低而不是由于量降低而不是由于Re含量增加的缘故。含量增加的缘故。相似相似地外物质包括球粒陨石及其分异的铁陨石、玄武质无球粒陨石(BAC)和月岩：Os的丰度变化范围很大(10-1210-4)，但是它们的Re/Os值几乎稳定在0.1陨石而而地球物质地球物质和火星陨石和火星陨石(SNC)中中Os的丰度

4、较低的丰度较低(为为10-1210-9),变化范围小于地外物质，但是它们的变化范围小于地外物质，但是它们的 Re/Os值变化很大（达值变化很大（达4个数量级：个数量级：0.01100)，并且它们的，并且它们的Re-Os丰度呈现明显的丰度呈现明显的负相关性，与地外物质有显著差异。负相关性，与地外物质有显著差异。陨石在海岛玄武岩在海岛玄武岩(OIB)、洋中脊、洋中脊玄武岩玄武岩(MORB)和科马提岩中和科马提岩中Re的丰度大于的丰度大于Os.而在幔源橄榄岩而在幔源橄榄岩包体中包体中Os的丰度的丰度大于大于Re。5.2 Re-Os定年定年Re有有2个天然存在的同位素，其丰度如下：个天然存在的同位素，

5、其丰度如下：185Re，37.398%，稳定，稳定187Re，62.602%，放射性，放射性187Re通过通过 衰变成为衰变成为187Os：QOsRe1877618775其其 谱的终点能很低（谱的终点能很低（2.5keV），因而用直），因而用直接计数法测定接计数法测定187Re的半衰期很困难。的半衰期很困难。Watt and Glover (1962)用直接计数法测得用直接计数法测得T1/2=3 1010aHirt et al. (1963)用用10个已知年龄的辉钼矿获个已知年龄的辉钼矿获得得T1/2=(4.3 0.5) 1010aLuck et al. (1980)从铁陨石从铁陨石Re-Os

6、等时线获得等时线获得T1/2=(4.27 0.2) 1010aLuck & Allegre (1983)修订结果为修订结果为 T1/2=(4.56 0.11) 1010a和和 =（1.52 0.04) 10-11a-1Yin et al. (1993) 给出给出 =（1.64 0.05) 10-11a-1Shen et al.(1998)陨石陨石 =1.66 10-11a-1Shirey & Walk(1998) 陨石陨石 =（1.666 0.017) 10-11a-1Os有有7个天然出现的稳定同位素。个天然出现的稳定同位素。Luck & Allegre (1983):

7、 (NH4)2OsCl6的的Os同位素丰度：同位素丰度：184Os = 0.023%186Os = 1.600%187Os = 1.510%188Os = 13.286%189Os = 16.251%190Os = 26.369%192Os = 40.957%含含Re体系中体系中187Os的增长可表示为（的增长可表示为（Hirt et al., 1963）：）：式中衰变常数式中衰变常数 =（1.666 0.017) 10-11a-1 Shirey & Walk(1998) 。其形式与。其形式与Rb-Sr体系体系相似。相似。) 1(OsReOsOsOsOs1861871861871861

8、87tievHirt et al.（1963）首先用）首先用187Os/186Os来表来表示示Os同位素的组成，后来同位素的组成，后来Luck & Allegre (1983)和许多其他研究者沿用了这一传统形和许多其他研究者沿用了这一传统形式。式。v然而，然而，190Pt 经经 衰变为衰变为186Os T1/2= (8.8 0.7) 1011a 陨石中陨石中190Pt的同位素相对丰度低的同位素相对丰度低0.0122%（Walker et al., 1991），因此在陨石定年中），因此在陨石定年中采用采用187Os/186Os问题不大。问题不大。 但对含但对含Pt族元素的矿床进行族元素的

9、矿床进行Re-Os定年时，由定年时，由于于Pt/Os比值可能很高，相当一部分比值可能很高，相当一部分186Os可能可能是由是由190Pt衰变产生，从而导致定年偏差。衰变产生，从而导致定年偏差。为避免该问题，现多采用为避免该问题，现多采用187Os/188Os比值比值（如（如Fehn et al., 1986; Dickin et al., 1992）(见下式见下式)。以下早期例子为与引用文献一致仍用以下早期例子为与引用文献一致仍用187Os/186Os) 1(OsReOsOsOsOs188187188187188187tie在假定在假定Os同位素初始比值的前提下，从单个同位素初始比值的前提下，

10、从单个样品的分析数据可以计算出其模式年龄。样品的分析数据可以计算出其模式年龄。或者测定一套符合等时线条件的样品，用等或者测定一套符合等时线条件的样品，用等时线法计算年龄和初始比值。时线法计算年龄和初始比值。辉钼矿具有很高的辉钼矿具有很高的Re含量（含量（2-230ppm），），但但Os含量低于含量低于0.2ppm（Hirt et al., 1963）并且主要是由并且主要是由187Re衰变成因的衰变成因的187Os。因此辉钼矿具有非常高的因此辉钼矿具有非常高的Re/Os比值，特别比值，特别适合于适合于Re-Os定年。为含辉钼矿的热液脉状定年。为含辉钼矿的热液脉状矿床的定年提供了一种有效的方法。矿

11、床的定年提供了一种有效的方法。Hirt et al. (1963) 试图用试图用Re-Os等时线法对等时线法对14个铁陨石进行定年，其结果个铁陨石进行定年，其结果(4.0 0.8Ga)精度较差，不能说明铁陨石是否与石陨石同精度较差，不能说明铁陨石是否与石陨石同时形成。时形成。Luck et al. (1980) 和和Luck & Allegre (1983)用离子探针用离子探针质谱和同位素稀释质谱和同位素稀释法测定法测定Re、Os的含的含量，获得了较高的量，获得了较高的精度精度(4.420.20Ga)并且发现：铁陨石并且发现：铁陨石和球粒陨石的金属和球粒陨石的金属颗粒拟合在同一条颗粒拟

12、合在同一条等时线上，等时线上，这些陨石是在太阳星云以后不久（约这些陨石是在太阳星云以后不久（约90 Ma）形）形成的，太阳星云所含成的，太阳星云所含Os同位素是均一的，其原同位素是均一的，其原始的始的187Os/186Os等于等于0.807 0.006陨石的陨石的Re、Os同位素组成与地球样品相一致同位素组成与地球样品相一致这些研究结果不仅揭示了陨石的来源，而且为这些研究结果不仅揭示了陨石的来源，而且为研究地球研究地球Os同位素提供了基础同位素提供了基础基性火成岩定年Allegre et al. (1999).Monro Township科马提岩 Re-Os 等时线（Walker et al.

13、 ，1988）基性火成岩定年Gannoun et al., 2004, SCIENCE基性火成岩定年沉积岩定年沉积岩定年 Cohen et al. （1999） 将将Re-Os等时线法应用于等时线法应用于英国侏罗纪黑色页岩的定年：英国侏罗纪黑色页岩的定年：黑色页岩黑色页岩Re、Os含量高于地壳，含量高于地壳，Re/Os 高；高；95%以上的以上的Re、Os来自海水，黑色页岩中高的有来自海水，黑色页岩中高的有机质含量保证了当时沉积环境为还原环境，在还原机质含量保证了当时沉积环境为还原环境，在还原环境下，环境下，Re、Os产生沉淀。产生沉淀。岩石形成后，若未遭到氧化，则保证了其中岩石形成后，若未遭

14、到氧化，则保证了其中Re、Os的稳定和封闭。因此其年龄为沉积年龄。的稳定和封闭。因此其年龄为沉积年龄。（Cohen et al., 1999）富含有机质的几个地层的沉积岩全岩富含有机质的几个地层的沉积岩全岩ReOs年龄年龄:(a) Kimmeridgian age 155 4.3Ma, (b) Toarcian age 181 13 Ma (c) Hettangian age 207 12 Ma, 对应于沉积物的沉积年龄对应于沉积物的沉积年龄. 初始初始187Os/188Os (i) 比值代表了当时海比值代表了当时海水的水的Os同位素组成同位素组成.Exshaw组TOC5%的样品(可能最能反映

15、水成Os组分)给出等时线年龄3589Ma, 初始187Os/188Os=0.59，即为海水Os同位素估计.用王水溶样Creaser et al.,2002加拿大西部沉积盆地晚泥盆纪加拿大西部沉积盆地晚泥盆纪Exshaw 组富含有机组富含有机质沉积岩质沉积岩Re-Os体系体系Exshaw FmTOC 5% 的的样品结果样品结果偏大MSDW偏大，可能因除水成偏大，可能因除水成Os组分外，所含非水成的非组分外，所含非水成的非放射成因放射成因Os组分组分(碎屑碎屑)所致。所致。 (A) Exshaw 组地层岩石样品初始 187Os/188Os值vs.岩石中碳氢化合物成熟度(以参数Tmax表示)，图显示

16、无相关性，表明碳氢化合物趋熟并不显著扰动Re-Os 同位素体系.Creaser et al.,2002因此，因此，Re-Os地质年代学方法可用作测定富含有地质年代学方法可用作测定富含有机质沉积岩年龄的可靠工具，而无需考虑沉积岩机质沉积岩年龄的可靠工具，而无需考虑沉积岩中碳氢化合物成熟度水平中碳氢化合物成熟度水平. 为获得高精度的为获得高精度的Re-Os年龄，年龄，重要的是要选择初重要的是要选择初始始187Os/188Os比值变化小的样品比值变化小的样品，这比避开碳氢，这比避开碳氢化合物成熟度高的样品更为重要化合物成熟度高的样品更为重要.Creaser et al.,2002用用 HFBF3法分

17、离有机法分离有机质时，质时，Re发发生丢失生丢失用王水法溶解富有用王水法溶解富有机碳沉积岩全岩中机碳沉积岩全岩中有机碳的有机碳的Re、Os时，时， 碎屑中的碎屑中的Re、Os也被溶解，碎也被溶解，碎屑中的屑中的Re、Os量量相对于有机质而言相对于有机质而言是很少量的，可能是很少量的，可能导致年龄稍有偏差。导致年龄稍有偏差。Selby & Creaser,2003用用 CrO3H2SO4法法溶解沉积岩全岩有机碳中溶解沉积岩全岩有机碳中Re、Os所所获得的等时线年龄与火山层中锆石获得的等时线年龄与火山层中锆石UPb年龄（年龄（363.3 0.4Ma）相吻合。）相吻合。Selby & Creaser,2003溶样方法改进贵州王家弯下寒武统黑色页岩中Ni-Mo硫化物富集层Mao et al., 2000加拿大Sudbury的McCreedy West ores (NiCu sulfide) 的Re-Os 等时线.Morgan et al.,2002矿床定年加拿大Sudbury的 Falconbridge ores (NiCu sulfid