铷-锶法及锶同位素地球化学

（一）铷-锶法

铷有⁸⁵Rb和⁸⁷Rb两种天然同位素，它们的丰度分别为72.1654%和27.8346%，铷的原子量为85.4677。⁸⁷Rb是放射性的，它通过放射一个β-粒子，衰变为稳定的⁸⁷Sr：

地球化学原理（第三版）

其衰变常数为1.42×10^-11a^-1。

锶在自然界有四种同位素：⁸⁴Sr、⁸⁶Sr、⁸⁷Sr、⁸⁸Sr，它们都是稳定同位素。这些同位素的丰度分别为：0.56%、9.86%、7.02%、82.56%。由于⁸⁷Rb不断衰变成⁸⁷Sr，因此随岩石和矿物形成时间及体系Rb/Sr比值的不同，锶的同位素丰度比值是发生变化的。

Rb是一价离子，其离子半径为0.148nm，与K的离子半径0.133nm很接近，所以自然界中的Rb基本上都分散在钾矿物中。Sr呈二价离子，离子半径0.113nm，与分布广泛的Ca²⁺离子半径（0.099nm）也很接近，所以Sr大量分散在钙矿物中。只有在特殊条件下，才有锶的独立矿物产出（菱锶矿、天青石等）。Sr的离子半径与K的离子半径差别也不大，因此一般含K、Rb的矿物中也都会有Sr。考虑到绝大多数Rb-Sr年龄样品中都存在初始锶问题，年龄计算公式应为：

地球化学原理（第三版）

或：

地球化学原理（第三版）

地球化学原理（第三版）

其中（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_d、（⁸⁷Rb/⁸⁶Sr）_d为样品中的测定值，（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i为样品的初始锶同位素比值。因此铷-锶法就要求采集一组样品（岩石或矿物），这些样品应是同时、同源（即具有均一化的普通锶同位素组成的岩石或矿物），而且其中的铷和锶是保持于封闭状态的。这组样品的测定结果在⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、⁸⁷Rb/⁸⁶Sr图解上将构成一条直线，直线方程的求得应采用最小二乘法，以尽可能降低测定误差的影响。利用所求得直线的斜率m，即可计算样品的年龄：

地球化学原理（第三版）

例如许保良等测定了辽宁某碱性正长岩的Rb、Sr同位素比值（图3-2），得出了1866±115Ma的年龄值，证明了我国早元古代也存在碱性正长岩浆活动。

铷 锶法一般采用一组全岩样品，也可用全岩和岩石中单矿物组成一组样品。对于没有经过热扰动的样品，两者的结果是一样的。如果岩石遭受后期热扰动，矿物发生重结晶，达到了锶同位素的新均一化，由于 Sr只在共生矿物之间迁移，全岩仍保持封闭体系时，则一组全岩样品可以得到原岩形成的年龄，而每块岩石的全岩 单矿物等时线给出的是热扰动的年龄。铷 锶法能恢复热扰动样品的原始形成年龄，同时还能给出热扰动历史是这个方法的最大优点。韦瑟里尔用此法成功地恢复了巴尔的摩片麻岩的变质历史（图3-3）。他得出的全岩等时线年龄为 1050±100Ma，（⁸⁷ Sr/⁸⁶ Sr）_i初始值为 0.705±0.002。这一年龄与蒂尔顿所报道的该岩石中锆英石的铀 铅年龄完全相同，所以全岩等时线年龄很可能代表这些岩石的形成年龄。而两个全岩样品的黑云母、钾长石和斜长石则形成了两条接近平行的等时线，其年龄值约290Ma，说明这些岩石在290Ma时又发生了一次变质作用。

图3-2 辽宁某碱性正长岩体Rb-Sr全岩等时线

图3-3 巴尔的摩片麻岩全岩及矿物等时线图

（二）锶同位素地球化学

由于⁸⁷Rb不断向⁸⁷Sr衰变，在地球演化的不同时期，不同w（Rb）/w（Sr）比值体系中，岩石形成时初始锶同位素比值是不一样的。这对于研究岩石的物质来源等基础地质问题具有重要的指示意义。

地球的年龄值为4570Ma，目前发现最老的岩石形成于3700～3800Ma。因此，地球的原始（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）₀比值还无实测数据。考虑到陨石与地球同时同源形成，因而目前采用陨石初始锶（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）₀比值作为地球的原始（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）₀比值，一般采用经过修正的玄武质无球粒陨石最初初始值BABI：（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）₀=0.69897±0.00003。这样任何t时形成岩石的初始比值应为：

地球化学原理（第三版）

即每种岩石的初始锶同位素比值（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i取决定于岩石形成的时间及其体系的w（Rb）/w（Sr）比值。如果在地球起始到岩石的形成阶段内，体系的w（Rb）/w（Sr）比值发生了多次变化，则其岩石的初始锶同位素比值应为：

地球化学原理（第三版）

地球的不同地圈及不同岩石中Rb、Sr等元素的含量是不同的。显然，形成于不同地圈的岩浆因其原始物质w（Rb）/w（Sr）比值的差异，具有不同的（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i初始值。目前，利用各种岩浆岩的初始锶同位素比值来讨论岩浆的来源问题已获得了巨大进展。例如花岗岩的成因很复杂，这导致了它们的（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i初始值很分散（图3-4）。大陆地壳物质无论是沉积岩（页岩）或古老富钾花岗岩，由于它们的w（Rb）/w（Sr）比值高，熔融形成的花岗岩浆都将具有很高的（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i值。但是，大陆地壳的演化发展过程是多阶段的，一套岩石与矿物的锶同位素初始值也是多阶段发展的产物，因此，关于岩浆成因的研究必须放到区域地质发展史中去全面考察才能解决。但（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i的高值说明成岩物质的发展经历过（至少在一段时间内）w（Rb）/w（Sr）比值高的阶段，所以对（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i比值高的花岗岩，其成岩物质的来源中有地壳物质的加入是极其可能的。最后，应指出岩浆的形成和以后的演化是个很复杂的过程，例如熔融作用前，岩源物质中不同固相的w（Rb）/w（Sr）比值不同，w（⁸⁷Sr）/w（⁸⁶Sr）比值也不同，如果某些富含铷的相（如金云母）首先熔融，也将提高所产生岩浆的（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_i值。因而这方面的进一步研究是必要的。

图3-4 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr初始比值与岩石物质来源关系图