03 钾氩衰变体系.pdf

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1、第三章钾—氩衰变体系第一节自然界的钾和氩•一、K的同位素组成：•K是典型的碱金属元素，化学性质活泼，可形成多种盐类。•自然界中的K存在于盐类和铝硅酸岩中。钾盐晶体钾长石矿藏白云母•岩浆作用中，K趋向于在结晶分异晚期析出；局部熔融中可形成富K岩体；地表风化中K易于淋滤渗出而溶解于水中。•K是常量元素，也是主要造岩元素，可形成多种含钾矿物，这有利于钾-氩计时的广泛使用。•K有3个天然同位素：39K、40K和41K，其中40K为具有双衰变性质的放射性同位素：•88.84040﹪的K通过β衰变产生Ca•11.24040﹪的K通过k层电子捕获产生Ar•即：•40Ar（11.2%）λ=

2、0.581×10-10/年k•40K•40Ca（88.8%）λ=4.962×10-10/年β•40K总的衰变常数为：•λ=λ+λ=5.543×10-10/年kβK-Ar计时示意图•研究表明，无论来源如何，K的同位素组成在现代实验误差内保持不变，即：•39K：40K：41K=93.2581﹪：0.01167﹪：6.7302﹪（原子比值）；•40K/K=0.01193﹪（重量比值）•40K/K=0.01167%（原子比值）不同类型岩石中钾元素含量岩石类型钾含量岩石类型钾含量-2球粒陨石8.5×10正长岩4.8-3超基性岩4×10页岩2.66-1玄武岩8.3×10砂岩1.07-1

3、贫钙花岗岩4.2碳酸盐岩2.7×10-1富钙花岗岩2.52深海粘土2.5×10二、氩Ar是一种惰性气体元素，性质极不活泼，通常呈单质气体形式存在。Ar是惰性气体元素中较丰富的元素，大气中可达0.934%。Ar有3个天然同位素：36Ar、38Ar和40Ar，均为稳定同位素。一般认为含K岩矿形成时，原先存储的Ar会逸入大气，因而体系形成时并不含有初始的40Ar，实测的40Ar都是体系形成后由40K衰变产生的放射成因40Ar*。故而不需要进行初始40Ar的扣除。大气氩的组成是恒定的，其丰度为：40Ar=99.6％38Ar=0.063％36Ar=0.337％大气氩

4、的同位素组成为：40Ar/36Ar=295.5（被称为尼尔值）38Ar/36Ar=0.1880尼尔值用来作为校正大气氩和质谱测定的基础。含钾矿物形成时不含初始40Ar的假说，有时候并不成立，为了检查，必需采用等时线法。第二节钾-氩法的原理和年龄计算钾-氩计时是最早用于测定岩石、矿物的计时方法之一。由于其放射成因子体是气体同位素，用物理方法易于比较准确的测定；加之含钾矿物普遍存在，在同位素年代学发展的早期，钾-氩计时得到最广泛的应用。钾-氩计时的不足之处也在于氩是气体，易于在各种地质作用过程中发生丢失，使实测年龄变得年青而不可靠。20世纪60年代以后出现的40A

5、r-39Ar计时可以克服氩的丢失问题。一、原理K的同位素中，40K具有双衰变性质：88.8﹪的40K通过β衰变产生40Ca11.2﹪的40K通过k层电子捕获产生40Ar对于封闭的K、Ca、Ar衰变体系，在t时间内形成的放射成因40Ar*和40Ca*的增长可用下式表示：40Ar*+40Ca*=40K（eλt-1)☺由于40K衰变为40Ar*和40Ca*时分别具有不同的衰变常数λ和λ，故上式中λkβ为其总衰变常数，即：☺λ=λ+λkβ☺仅仅对于放射成因40Ar*而言，则有：40k40tArk(e-1)◊由上式得K-Ar法计年公式：401Ar*tln

6、140Kk◊上式中：◊40Ar*——放射成因40Ar◊40K——样品中实测40K◊λ——k层电子捕获衰变常数k◊λ=λ+λ——总衰变常数kβ◊t——时间放射成因Ar的计算•样品中40Ar等于外来渗入40Ar和放射成因40Ar*之和。总体而言，样品中40Ar可归为3类：•40*40放射成因Ar：即岩矿形成后由K衰变而产生的40Ar，为K-Ar测年法所用数据；•4040大气Ar：样品中常有大气渗入Ar。大气中40Ar/36Ar=295.5，可利用此参数除去大气渗入40Ar。•40外来Ar：包括岩矿形成时包裹在其中的部分，也包括岩浆、变质作用中残留下来的40A

7、r，这部分40Ar须通过等时线法来消除。三、40K和40Ar的测定•1、40K的测定：•在天然样品中40K有恒定的比例，即•40K/K=0.01193%（重量）•因此，测得样品中的丰度，即可通过公式：•40K=0.01193×K%•来求得40K的量。•对于含K量高的样品，如云母、长石等，通常用火焰光度计火焰光度计来测定其中的K含量；•对含K量低的样品，如角闪石、辉石、陨石等样品，则使用原子吸收光谱原子吸收光谱来测定K的含量。1、40Ar的测定：•40Ar的分析难度大，因样品中放射成因40Ar*量甚微，而大气中Ar含