Question

　花岗质岩石的同位素年代学

Answer 1

本区花岗质杂岩的定年工作，山东第八地质队在填制1∶5万沂水幅地质图过程中，曾做过初步开拓性工作（程志忠等，1989），如对羊圈地区位于沂水岩群中的紫苏花岗岩类岩石（马山岩体）中的锆石曾用U-Pb一致线法测得2770Ma和2706Ma的年龄。在雪山以南，林家官庄以西的雪山岩体中测得锆石U-Pb一致线年龄为2479Ma，英灵山岩体为2493Ma。宋余礼等（1990）测得林家官庄岩体的锆石U-Pb一致线年龄2518Ma。中国地质大学（北京）顾德林等（1997）在测制1∶5万高桥幅地质图时也曾对本区紫苏花岗闪长岩用锆石U-Pb法测得2582±25Ma的年龄，用同样的方法测得紫苏奥长花岗闪长岩的年龄为2537±5Ma。这些研究为我们进一步工作打下了良好的基础。

笔者等在前人工作的基础上，对本区有关岩体分别做了Rb-Sr全岩等时线、Sm-Nd全岩等时线和单颗粒锆石双带源逐层蒸发法年龄测定。

一、单颗粒锆石Pb-Pb同位素年龄测定

主要对马山岩体、雪山岩体和林家官庄岩体进行了单颗粒锆石Pb-Pb同位素年龄测定。测定时使用的热离子质谱仪型号为MAT261，具体操作详见Kober（1986）、刘敦一（1988）与宋彪（1994,1995）等的论述。

1.样品产地和岩石学特征

（1）雪山岩体：共采两个样品。

一个样品（YS95105）采于沂水幅青龙峪南公路边。岩石呈肉红色，细粒（2～3mm），块状，花岗结构。组成矿物以微斜长石＋石英＋斜长石为主，黑云母和紫苏辉石少量；在斜长石和微斜长石接触处有微小的蠕英石发育；副矿物见有磁铁矿、磷灰石和锆石。该样品在An-Ab-Or图上位于花岗岩区。其地球化学特点详见第三章。其稀土标准化后的配分曲线向右倾斜，较陡，轻稀土富集，负铕异常明显，重稀土有较多的亏损。

另一个样品（YS9573）采于沂水幅东院采石场。岩石的颜色比青龙峪南深，铁镁质矿物含量比前一个样品高，粒度也较粗，有黑绿色铁镁矿物集中形成的条带和斑块，片麻状构造明显。组成矿物以斜长石、微斜长石、紫苏辉石、透辉石和黑云母为主，另有少量石英；副矿物有磁铁矿、磷灰石和锆石等；斜长石（奥长石）与微斜长石之间常有窄的蠕英石边出现；紫苏辉石周边有时见有小颗粒角闪石和（或）片状黑云母，并伴生磁铁矿。该样品在An-Ab-Or图上位于花岗闪长岩和花岗岩区，说明雪山岩体既有花岗岩也有花岗闪长岩，岩性有一定的变化。该样品的稀土配分曲线与林家官庄样品（YS9531）十分相似。

同一雪山岩体，两个样品的微量元素含量具有同样的变化，如w（Rb）均为132×10^-6至185×10^-6,w（Ba）则为354×10^-6至1539×10^-6,Sr为95×10^-6到710×10^-6。在蜘蛛网图上也有明显区别。

（2）林家官庄岩体：用于定年的样品（YS9531）采自沂水幅唐家河村南。岩石呈灰色，中粒。组成矿物以斜长石、石英和黑云母为主，微斜长石、透辉石和角闪石次之，紫苏辉石少量；副矿物为磁铁矿、磷灰石、锆石和褐帘石等，并有次生方解石。该样品在An-Ab-Or三角图上位于奥长花岗岩区。稀土配分曲线为轻稀土富集并向右稍显倾斜的曲线。

（3）马山岩体：样品（YS9564）采自沂水幅罗家庄东南山头。岩石呈暗灰棕色，中粗粒（2mm×3mm～4mm×5mm），块状。镜下呈花岗半自形结构。组成矿物主要有斜长石、微斜长石、紫苏辉石、透辉石和黑云母，另有少量石英，副矿物有磷灰石、磁铁矿、锆石和少量钛铁矿。岩石系列相当于黑云二辉花岗闪长岩。

2.锆石选取方法

岩石样品一般重1.5～2.5kg，都较新鲜并经显微镜下鉴定确认。样品先用鄂式破碎机破碎至厘米级大小，再用磨盘机磨碎至毫米级，经过手工磁选和电磁选，粗选出含有锆石的样品，然后用二碘甲烷浮选出较纯的锆石，最后用双目显微镜挑出纯的锆石。选样全过程严格按照“微量铀—铅年龄测定的锆石样品的采集和选纯”规范进行，保证无污染。

3.锆石晶体特征

（1）雪山岩体中锆石特征：就两种岩石样品分别叙述。

黑云紫苏花岗岩样品（YS95105）中锆石有两种类型：Ⅰ型，深紫红色，半透明—透明，少数已混浊，有裂纹，有的两端已被熔蚀，长宽比一般为2:1～4:1，少数达5:1，粒度多数为140μm×240μm,40μm×140μm和70μm×290μm。Ⅱ型，浅紫色，透明，针柱状，少数双锥状，粒度为10μm×20μm和30μm×260μm，长宽比最大为9:1。

二辉黑云花岗闪长岩样品（YS9573）中的锆石为粉红色，透明，以短柱状为主，有的已熔蚀呈椭圆状，少数尚保留不完全的（100）和（111）晶面，粒度多数为40μm×70μm,100μm×140μm和40μm×210μm。

（2）林家官庄岩体样品（YS9531）中的锆石：粉红色，透明，短柱状为主，有的有裂纹，晶体两端稍显熔蚀，长宽比值为1.5～4.1，粒度多数为60μm×90μm,90μm×170μm和70μm×290μm。

（3）马山岩体黑云二辉花岗闪长岩（YS9564）中锆石：玫瑰紫色，透明，金刚光泽，以短柱状为主，粒径100～300μm，由柱面（110）、锥面（111）和偏锥面（311,131）组成之聚型，延长系数以2为主，2.5～3.0者少量。未见包裹体。

4.测定结果

采用单颗粒锆石双带源逐层蒸发法在原地质矿产部同位素地质开放研究实验室进行锆石同位素年龄测定，其结果详见表6-2。

表6-2　单颗粒锆石年龄测定数据

注：S和B的说明见正文。

在表6-2中，“No.”代表锆石颗粒的编号；“S”的含义是“Steps”，即锆石颗粒蒸发—沉积的某个阶段；“B”则是“Blocks”之意，即所采集的数据组数，每个“Block”由六个“Scans（扫描）”组成，其中五个“Scans”参加计算，采用年龄是由放射性成因²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb计算得到的，所有误差均为2σ。计算时采用的常数λ₂₃₈＝1.5513×10^-11a^-1，λ₂₃₅＝9.848×10^-11a^-1,²³⁸U/²³⁵U＝137.88。

二、全岩Rb-Sr等时线年龄测定

对马山岩体、雪山岩体和大山岩体分别做了全岩Rb-Sr等时线年龄测定。测试负责人为原地质矿产部同位素地质开放研究实验室陈启桐，计算仪器为MAT-261质谱仪。x坐标的标准误差（2σ）取0.1%,y坐标的标准误差（2σ）为实测。其测定结果如表6-3,6-4,6-5所示，等时线图如图6-2,6-3,6-4所示。

表6-3　马山岩体全岩Rb-Sr年龄测定结果（w_B/10^-6）

表6-4　雪山岩体全岩Rb-Sr年龄测定结果（w_B/10^-6）

表6-5　大山岩体全岩Rb-Sr等时线年龄测定结果（w_B/10^-6）

图6-2　马山岩体全岩Rb-Sr等时线年龄图

图6-3　雪山岩体全岩Rb-Sr等时线年龄图

图6-4　大山岩体全岩Rb-Sr等实线年龄图

三、马山岩体Sm-Nd同位素测年

马山岩体的全岩Sm-Nd同位素测定结果如表6-6所示，其等时线年龄为2688Ma±274Ma，等时线图如图6-5所示。

表6-6　马山岩体的Sm-Nd同位素年龄测定结果

注：采用常数λ¹⁴⁷Sm＝6.54×10^-12a^-1。

图6-5　马山岩体Sm-Nd全岩等时线年龄图

四、结论和讨论

该区五个岩体各种测年方法所得的年龄结果如表6-7所示。根据本次工作的结果和已有资料可做如下讨论。

表6-7　沂水地区（包括高桥）花岗质岩体的实测同位素年龄（t/Ma）

（1）本区除蔡峪岩体外，其它六个岩体都不同程度地做过同位素年龄测定，其中以雪山岩体和马山岩体数量最多；这是讨论的重要依据。另外，所见各岩体之间的相互关系也是它们形成顺序的重要参考资料。

（2）在唐家庄村西南英灵山岩体侵入林家官庄岩体，故英灵山应稍晚于林家官庄岩体。现英灵山岩体唯一的一个锆石U-Pb一致线年龄为2493Ma，接近2500Ma；林家官庄岩体的单颗粒锆石蒸发法年龄为2505Ma，多个颗粒数据则比较一致；而1990年宋余礼等测得的锆石U-Pb一致线年龄稍大（2518Ma），这次测得的数据稍小。但三者晶体形态十分接近，说明数据可靠，二者总体上在误差范围之内；说明林家官庄岩体形成于新太古代。

3.关于雪山岩体，前人曾在雪山以南，米家官庄以西采过一个样品，测得其U-Pb一致线年龄为2479Ma。笔者所采二个样品位于原采样品之南和东南。其中一个样品共测定了五个锆石晶体，编号为No.1,No.3和No.4的锆石晶体所得年龄值分别为2536Ma,2540Ma和2520Ma，平均为2532Ma。另一样品的四个锆石晶体（编号No.1～No.4），其年龄十分一致，均为2531Ma。还有两个晶体（编号为No.1、No.2）年龄分别为2509Ma和2506Ma，平均为2507Ma。总体上说，2531Ma应是雪山岩体的形成年龄，2507Ma可能是受稍晚一次地质或岩浆事件的新生锆石年龄。原测得的2479Ma显然偏低。1∶5万高桥幅顾德林等（1997）将黄姑山地区的紫苏花岗岩归入雪山岩体，并测定了U-Pb一致线年龄，笔者认为黄姑山地区的紫苏花岗岩应属马山岩体。

有一样品，其年龄值为2910Ma。从测定过程来看，其方法可靠，精度可信，所测锆石的表面特征与其它锆石样品无明显差别。这一年龄值与沂水岩群中林家官庄岩组的年龄相近，因此推断该锆石应属继承性锆石。

雪山岩体组成比较复杂，内部岩相、矿物组成、结构构造、岩石化学和稀土地球化学特征都有一定的差异，但其形成时代一致。

4.马山岩体的同位素年龄数据，其测定方法包括单颗粒锆石蒸发法Pb-Pb年龄、锆石U-Pb一致线年龄，全岩Rb-Sr等时线年龄和全岩Sm-Nd等时线年龄，数据多，方法全；故对其形成年龄和变质年龄的讨论提供了较充分的依据。

马山岩体锆石U-Pb一致线年龄有两组。一为2706～2770Ma，平均为2738Ma，与Sm-Nd全岩等时线年龄2688Ma相近；判断2700Ma左右是马山岩体的侵位年龄。另一组为2550～2582Ma，其中

Ma系顾德林等测自1∶5万高桥幅南部黄姑山的紫苏花岗岩，根据岩性特征，将其归入马山岩体。一般说来，全岩Rb-Sr年龄代表变质年龄。马山岩体的矿物形成序列表明，有普通角闪石和黑云母形成的环边，代表抬升时的退化变质的影响。马山岩体的Rb-Sr全岩年龄只有2383Ma±8Ma，可能受此影响而偏低，故变质作用的上限应不小于2400Ma。由此可见2550～2582Ma的年龄可能代表马山岩体变质的峰期阶段。其它岩体的年龄既是侵位年龄，同时也受到变质，说明马山岩体与这些岩体甚为相近。

5.马山岩体应是本区最老的变质深成岩体。从野外观察看，该岩体与雪山岩体的某些部分呈过渡，与雪山岩体伴生的长英质岩脉又侵入其中；说明雪山岩体形成稍晚，其形成年龄应不小于2531Ma，随后即迅速遭受区域变质改造，其上限应不小于2500Ma。而林家官庄岩体，在地质图上分布于东南，雪山岩体则在北部，二者未见直接接触关系；已测前者的年龄为2507～2518Ma，表明林家官庄岩体晚于雪山岩体。

6.牛心官庄岩体主要分布于1∶5万高桥幅地质图的中部和南部，与1∶5万沂水幅的雪山岩体和大山岩体相接的边界不清，其主体岩石为紫苏奥长花岗岩。顾德林等（1997）曾在1∶5万高桥幅黄姑山北坡采取该岩体样品进行锆石U-Pb一致线年龄测定，获得上交点年龄为2537Ma±5Ma，下交点年龄146Ma±29Ma。上交点年龄比雪山岩体年龄稍大。但野外观察表明，雪山岩体明显被包于牛心官庄岩体之中；因此，严格地说，牛心官庄岩体应晚于雪山岩体，故雪山岩体的侵位年龄应大于2531Ma,2531Ma可能为变质年龄。此外，在牛心官庄岩体尚有部分二长花岗岩（与大山岩体相当）未被分出。

表6-8　变质花岗质岩体生成顺序表

7.蔡峪岩体目前尚无年龄数据，根据岩性和相互关系，其形成时代应稍晚于马山岩体，可能与雪山岩体的时代大致相当。其确切的年代需今后进一步研究。

大山岩体在野外明显晚于雪山岩体，与北部的牛心官庄岩体中小部分二长花岗岩相似，与英灵山岩体未直接接触，其变质程度基本上为角闪岩相。它的年龄资料很少，只有一个2284Ma的全岩Rb-Sr等时线年龄。因Rb-Sr全岩等时线年龄一般代表变质年龄，因此推断其变质上限不低于2400Ma；形成时代也可能更早，据推断可达2500Ma，可能属新太古代—古元古代。

综合岩体野外之间的穿切关系和已有的同位素年龄数据，初步得出本区变质深成岩的总体形成顺序，见（表6-8）。

Answer 2

花岗岩中的时光密码：同位素年代学
想象一下，时光是一条汹涌的河流，而岩石就像散落在河床上的巨石，它们的内部蕴藏着时间的秘密。花岗岩，这种坚硬常见的岩石，为我们了解地球悠久历史提供了一条时间隧道。让我们探索花岗岩的同位素年代学，揭开它所讲述的引人入胜的时光故事。
同位素的时光刻度
同位素，一种元素家族的成员，具有相同原子序数，但质子数不同，这导致它们具有不同的质量。某些同位素，称为放射性同位素，随着时间的推移会衰变为其他元素。就像一个精确的时钟，衰变速率是恒定的，为我们提供了测量时间的刻度。
岩石内部的时钟
花岗岩中发现了两种常见的放射性同位素：铀-238和钾-40。这些同位素以稳定的速率衰变为铅和氩等不同元素。通过测量岩石中这些元素的比率，我们可以确定岩石形成的时间，就像破解一个复杂的时光密码。
穿越数十亿年的旅程
花岗岩通常起源于地下深处熔融的岩浆。当岩浆冷却并结晶时，它会捕获周围岩石中的铀、钾和氩。随着岩浆变成固体花岗岩，内部的放射性时钟开始滴答作响。
解读时光密码
为了破译花岗岩的同位素年代学密码，科学家们使用称为质谱仪的仪器。质谱仪将岩石样品中的元素离子化，然后根据其质量对它们进行分离。通过测量不同元素同位素的丰度，他们可以计算出岩石形成的时间。
预告地球的历史
花岗岩的同位素年代学不仅可以揭示岩石本身的年龄，还可以帮助我们了解地球的历史。例如，科学家们通过研究来自不同地区的花岗岩的年代，确定了大陆漂移的证据，证明了地球上的陆地块曾经相互连接。
解锁地质拼图
同位素年代学就像一个考古学家手中的铲子，帮助我们挖掘地球的过去。通过研究花岗岩的同位素年代，我们可以确定火山活动、造山运动和气候变化的时间线，拼凑出地球悠久而迷人的历史拼图。