沉积岩沉积时间的绝对年龄是非常重要的问题,但解决起来又非常困难。精确的定年取决于同位素时钟的完全重新启动。因此,沉积岩中一些沉积过程中新生含钾矿物的Rb-Sr定年有可能在沉积或早期成岩阶段达到均一化,并随后保持系统封闭直到现今。由于沉积过程中无含稀土矿物的形成,且Sm-Nd在地壳中不发生分馏,因此不能利用沉积岩的Sm-Nd同位素组成确定沉积-成岩年龄,但可以由它们来示踪区域地壳的演化。
1.页岩
含Rb 碎屑矿物 (云母、钾长石、黏土矿物等)预计可含有继承的放射成因 Sr。因此,这些矿物的测年将给出沉积物组分源区年龄的平均值。然而,如果取足够细的页岩样品,其组成矿物 (主要是伊利石)常常在沉积后的成岩过程中遭受了大量的 Sr 交换。在此条件下,它们可能在沉积后不久就变成几乎均一的初始 Sr 同位素组成,因此保持有效的封闭系统直到现今。
澳大利亚东南的State Circle页岩与上述条件极其相近,而在其他一些条件下 (如西澳大利亚的Cardup 页岩)保持着继承87 Sr/86 Sr的变化,不能计算出有意义的年龄,这是未分解的碎屑云母 (可能是绢云母)引起的。
近来对页岩定年的一些研究寻求通过分析分离出的黏土矿物部分来避免碎屑云母和长石的污染问题,其纯度用X射线衍射检查。伊利石的 X 射线衍射分析也能得到被测定页岩中黏土矿物的性质和起源。
在中国,震旦纪—寒武纪边界出露良好,穿过寒武纪底部具明显连续的富化石黑色页岩系。从扬子北中部三峡地区 Rb-Sr 全岩与全岩 U-Pb (206 Pb/204 Pb-238 U/204 Pb 与207Pb/204Pb-235U/204Pb)等时线年龄吻合良好,然而,细粒组分的分析总是给出较全岩或粗粒部分低的年龄。这表明沉积后的成岩事件在某个时候影响了岩石,因此 Rb-Sr年龄数据可能是继承的与放射成因的混合年龄,而不是沉积年龄。
2.海绿石
海绿石由于其高的Rb 含量、易于鉴别和地层上的广布性,提供了直接测定沉积岩年龄的可能性。海绿石类似于伊利石,是最易以宏观球状体出现的云母类矿物。在海洋环境中海绿石形成于近沉积物-水界面。然而,通过研究现今海底球体,已证明“海绿石化”是一个缓慢的过程,可能需要几十万年才能完成。在此过程中,球体的钾含量增加,这也因此被用来监测球体的成熟度。
全新世海绿石的 Rb-Sr 分析表明,当钾含量增高时仅缓慢达到 Sr 同位素与海水的平衡。Rb-Sr 数据使初始锶等于估计的沉积时海水锶同位素成分,可计算出球体的 Sr 模式年龄。零年龄的球体,由于碎屑矿物相中含有大量的锶具有高的表面模式年龄。然而,随着其成熟,球体与海水均一化在完全平衡的球体中模式年龄降为零 (图6-8)。为了选择仅仅完全成熟的测年物质,海绿石的钾含量分析提供了筛选依据。
图6-8 全新世 (0年龄)海绿石的 Rb-Sr 模式年龄与钾含量的函数关系
(据Dickin,1995)
空心圆表示黏土矿物部分
白垩纪及更年轻的海绿石常常得到与其他测定方法一致的年龄 (Dickin, 1995)。但古生代的海绿石通常给出比预期值低 10%～20%的年龄。主要是由于某种形式与循环卤水的离子交换过程,使87 Sr从黏土矿物晶格的可扩张层中丢失所致。一些情况下,错误的海绿石模式年龄由醋酸铵的淋洗而增高至近地层年龄,被认为是从晶格可扩张层中去除了过量松散结合的Rb。相比之下,用醋酸、盐酸等淋洗,对海绿石的年龄具不可预测的影响,可能是由于除去了一些紧密结合的Sr。