对同位素测年中封闭温度的理解

对封闭温度的理解
封闭温度的概念
由于矿物对同位素的保存能力与温度有关，在某一温度以下，同位素从某种矿物中的逸出速率可以忽略不计，而在此温度之上，同位素有明显逸出，则这一温度称为封闭温度或临界温度。

封闭温度的概念不同学者有不同的表述：YorK的定义是“对某一母子体组成而言，在一个很小的温度范围内，矿物从一个广阔的开放体系变为一个严密的封闭体系”；Faure 的定义是“封闭温度是这样一个温度，低于封闭温度，扩散所引起的放射成因子体的丢失和其积累相比变得微不足道”；而Dodson认为，“封闭温度就是有表面年龄给出的那个时间点的温度，它与冷却历史有关”。

我们认为，Dodson关于封闭温度的定义最为严谨，其理论模型的物理意义如图1所示。

因此，如果深成岩或变质岩处于一个缓慢冷却的过程中，这时得到的年龄即可视为冷却年龄（或封闭年龄、保存年龄）。

显然，冷却年龄要比深成岩的侵入年龄或变质年龄低，冷却年龄的大小和冷却速度及其它多种因素有关。

对于迅速冷却的火山岩或浅成侵入岩，测得的K-Ar年龄可以基本上代表其喷出或侵入的年龄，形成年龄和冷却年龄基本无差别。

冷却年龄和封闭年龄的概念可以推广到其他任何放射性同位素衰变体系。

只是因为其它放射性成因子体都是固态物质，不像气态氩那样易于扩散，因而他们的封闭温度都比Ar高。

封闭温度的计算
放射性成因子体同位素的丢失无论是气体还是固体，主要是由分子热运动导致的扩散作用引起的，1973年Dodson从扩散理论出发，给出了一个封闭温度的一般理论通式：
T c=
E/R
ln −AD0RT c2
E−T a
这样E为活化能，R为气体常数，A为取决于矿物几何形态和扩散模型的常数，D0为频率因子，A为矿物颗粒半径，-T为封闭温度点的冷却速率。

由此可见，封闭温度是一个和矿物种类、形态、大小和冷却速率等有关的复杂函数。

同种矿物，颗粒越大，冷却速率越快，封闭温度将越高。

对K-Ar体系，角闪石的封闭温度最高，云母次之，长石最低，因此一般情况下，角闪
石的年龄应该更接近岩石结晶年龄。

目前，利用多种不同封闭温度的矿物，或者同种矿物在不同计时体系中封闭温度的差别，可以推算岩体的冷却速率或上升隆起过程。

矿物年龄的解释
由上面的讨论可知道，矿物的同位素地质年龄是指矿物冷却到封闭温度以来所经历的时间。

由于同一种矿物对于不同的同位素体系，有不同的封闭温度，所以得到的同位素年龄也是不一致的。

因此，对于同一岩石的不同矿物要构建等时线，要求各矿物有相同或相近的同位素封闭温度，对快速冷却的岩体，这一要求可忽略，而对缓慢冷却的体系是不能忽略的。

图2表示一个侵入岩体，由于各矿物同位素体系的封闭温度不同，可以给出很不相同的年龄，它反映了岩石的冷却曲线。

封闭温度对测年的影响
矿物形成后处于封闭体系这一条件是一切测年方法的前提条件。

因此，封闭温度对测年有重要的影响。

比如，K-Ar体系中钾长石具有很低的封闭温度，有时在很低温度下就不能定量保存放射成因氩，因此利用钾长石K-Ar年龄有一定的适用范围。

侵入岩中的钾长石(微斜长石、条纹长石等)都具有很低的封闭温度，常常造成氩丢失或过剩，因此，不适合于K-Ar 定年。

喷出岩中的高温长石，如透长石，歪长石等，是在快速冷凝的过程中结晶形成的，而且对氩有较好的保存能力，在后期没有热扰动的情况下，测得的年龄就准确的代表了火山作用的时间。

低温脉中的钾长石可有条件的应用。

如果岩石发生了后期的变质作用使得出现某一元素的缺失或者过剩，在Ar-Ar法中，可通过逐级加热法得到坪年龄来测定年龄。

参考文献：
[1]陈道公.地球化学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.4:250—254
[2]高晶晶，刘玉琳.钾长石K-Ar定年若干问题的讨论[J].高校地质学报，2006,12（3）：375-377。