锆石测年基本原理

一、基本原理

1、锆石的物理性质

锆石的主要成分是硅酸锆，化学分子式为Zr[SiO4]，除主要含锆外，还常含铪、稀土元素、铌、钽、钍等。由于锆石常含有Th、U，故测定锆石中的Th/U的含量的由它们脱变而成的几种铅同位素间的比值以及它们与U的比值，可测定锆石及其母岩的绝对年龄。由于Pb同位素很难进入锆石晶格，锆石结晶时的U与Pb发生强烈分馏，因此锆石是良好的U-Pb同位素定年。此外，越来越多的研究表明，锆石环带状增生的形象十分普遍，结合微区定年法就可以反映与锆石生长历史相对应的地质演化过程。锆石同时还是很可靠的“压力仓”，能够保存来自其母岩或早期变质作用的包裹物。

锆石晶体呈四方双锥状、柱状、板状。锆石颜色多变，与其成分多变有关；玻璃至金刚光泽，断口油脂光泽；透明至半透明。解理不完全；断口不平坦或贝壳状。硬度7.5-8。相对密度4.4-4.8，性脆。当锆石含有较高量的Th、U等放射性元素时，据放射性，常引起非晶质化，与普通锆石相比，透明度下降；光泽较暗淡；相对密度和相对硬度降低；折射率下降且呈均质体状态。锆石按成因分为高型锆石和低型锆石。宝石学中依据锆石中放射性元素影响折光率、硬度、密度的程度将它分为“高型”、“中间型”、“低型”三种。锆石属四方晶系。晶体形态呈四方柱和四方双锥组成的短柱状晶形，集合体呈粒状。 强的晶格能和对Pb的良好保存性，丰富的、可精确分析的U含量和低的、可忽略的普通Pb含量是其特点。锆石U-Pb体系是目前已知矿物同位素体系封闭温度最高的，锆石中Pb的扩散封闭温度高达900℃，是确定各种高级变质作用峰期年龄和岩浆岩结晶年龄的理想对象。另外，锆石中含有较高的Hf含量，大多数锆石中含有0.5－2%的Hf，而Lu的含量较低，由176Lu衰变成的176Hf极少。因此，锆石的176Hf/176Lu可以代表锆石形成时的176Hf/177Hf初始比值，从而为讨论其成因提供重要信息。

2、锆石U-Pb定年原理

自然界U具有3个放射同位素，其质量和丰度分别是：238U（99.275%），235U（0.720%），234234238U(0.005%)。U是238U衰变的中间产物。U和235U通过一系列中间子体产物的衰变，最后转变成稳定同位素206Pb和207Pb。Th只有一个同位素232Th,属放射性同位素。自然界存在的其他U、Th同位素都是短寿命的放射性同位素，数量极微。238U、235U、232Th衰变反应如下：

238 →206Pb+8α+6β +EU

→207Pb+7α+4β +EU

→208Pb+6α+4β +ETh 235232

206Pb和207Pb的衰变常数分别为λ238 =1.55125*10-10a-1， λ235=9.8485*10-10a-1。 Pb有四种同位素：204Pb、206Pb、207Pb、208Pb ，都是稳定同位素，其中仅204Pb是非放射成因铅，其余3个同位素既有放射成因组分，又有非放射成因组分，它们分别是238U、235U、232Th竟一系列衰变后的最终产物。U-Pb年龄测定基于238U和235U放射同位素的衰变过程，其年龄可以用下面公式计算：

t=1206

λ238

1ln[(Pb*U238+1] （1） 207

t=λ235ln[(Pb*U235+1] （2）

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