新矿物（
  <strong>U-Th</strong>）
  <strong>/He</strong>年代学的研究进展

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2024.031

地球科学进展 ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (4): 357 -373. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.031

新矿物（ U-Th） /He年代学的研究进展

陈玉柳 ¹ ^, ²(

), 丁汝鑫 ¹ ^, ²(

), 孙转 ³, 卢胜城 ¹ ^, ²

^1.广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，中山大学地球科学与工程学院，广东珠海 519082
^2.广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室，广东珠海 519082
^3.中国石油辽河油田勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010

收稿日期:2024-03-05 修回日期:2024-03-27 出版日期:2024-04-10
通讯作者: 丁汝鑫 E-mail:chenyliu3@mail2.sysu.edu.cn;dingrux@mail.sysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(42072229);辽河油田公司科技项目(20230ZJC-02)

Advancements in (U-Th)/He Thermochronology of New Minerals

Yuliu CHEN ¹ ^, ²( ), Ruxin DING ¹ ^, ²( ), Zhuan SUN ³, Shengcheng LU ¹ ^, ²

^1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards，School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Zhuhai Guangdong 519082, China
^2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, Zhuhai Guangdong 519082, China
^3.Research Institute of Petroleum Exploration Development, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin Liaoning 124010, China

Received:2024-03-05 Revised:2024-03-27 Online:2024-04-10 Published:2024-04-26
Contact: Ruxin DING E-mail:chenyliu3@mail2.sysu.edu.cn;dingrux@mail.sysu.edu.cn
About author:CHEN Yuliu, Master student, research area includes mineralogy, petrology, ore deposit. E-mail: chenyliu3@mail2.sysu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(42072229);The Technology Project of Liaohe Oilfield Company(20230ZJC-02)

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自20世纪末（U-Th）/He定年技术诞生以来，（U-Th）/He定年在地质学等领域发挥着越来越重要的作用，尤其是磷灰石及锆石的（U-Th）/He定年技术得到了广泛应用，然而这两种矿物在自然界中的分布相对有限，极大地限制了（U-Th）/He年代学的发展。近年来，随着He扩散动力学研究的不断深入和分析测试技术的提高，其他矿物的（U-Th）/He定年技术也得到了长足进步，理论与技术方法也日臻完善，为（U-Th）/He年代学开辟了新的应用领域。此外，不同类型的矿物记录了不同的地质信息，通过结合多种矿物的（U-Th）/He定年数据，将增进对地质过程的理解。基于（U-Th）/He定年新理论和新技术的发展，总结了赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、碳酸盐矿物、牙形石、萤石、钙钛矿、尖晶石、金红石以及石榴子石等矿物的（U-Th）/He定年，重点介绍了相对成熟的赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、碳酸盐矿物以及牙形石的（U-Th）/He定年的研究进展。目前，这些新矿物的（U-Th）/He定年在矿床学、沉积学、构造地质学、地球动力学和环境科学等领域得到了初步应用，尤其在约束成矿时代、古环境古气候重建、洋壳蚀变和俯冲剥露过程、热液活动、断裂变形以及古地震研究等方面将发挥关键作用。然而，这些新矿物的（U-Th）/He年代学仍存在不少问题，限制了这些方法的广泛推广与应用，比如多扩散域行为、辐射损伤和化学成分对He扩散的影响、加热脱气过程中母体同位素的挥发以及（U-Th）/He体系的开放行为等，这些因素将导致（U-Th）/He年龄数据表现出较大的分散性。因此，未来需要进一步研究He在这些矿物中的扩散行为，改善实验方法并提高仪器测试精度，以确保（U-Th）/He定年数据的准确性，为理解地质过程提供更加可靠的时间框架。

关键词: （U-Th）/He定年, 赤铁矿, 针铁矿, 磁铁矿, 碳酸盐矿物, 牙形石

Since the inception of the (U-Th)/He thermochronometer at the turn of the last century, it has assumed an increasingly pivotal role in geology and related disciplines, notably in the dating of apatite and zircon. However, the occurrence of apatite and zircon is relatively restricted in nature, significantly constraining the advancement and application of (U-Th)/He dating. Through ongoing, comprehensive investigations into He diffusion kinetics and advancements in analytical technology, alongside apatite and zircon, other minerals (U-Th)/He thermochronologies have also made significant strides, progressively refining and broadening their applications, thereby opening new avenues for the (U-Th)/He thermochronometer. Moreover, different minerals record distinct geological information; hence, employing (U-Th)/He dating across multiple minerals enhances our comprehension of geological processes. This paper provides a concise overview of the progress in (U-Th)/He dating of hematite, goethite, magnetite, carbonate minerals, conodont, fluorite, perovskite, spinel, rutile, and garnet, with a focus on the advanced research in hematite, goethite, magnetite, carbonate minerals, and conodont (U-Th)/He dating, which are relatively mature. Presently, these novel methodologies have found applications in diverse fields such as ore deposits, sedimentology, tectonic geology, geodynamics, and environmental science, particularly in determining mineralization age, reconstructing paleoenvironments and paleoclimates, elucidating processes of oceanic crust alteration, subduction, and exhumation, understanding the functioning of hydrothermal systems, investigating fault deformation, and conducting paleoseismic research, wherein they are poised to play a pivotal role. However, several challenges persist, including multiple diffusion domains, the impact of radiation damage and chemical composition on helium diffusion, loss of parent isotopes during heating and degassing, and open behavior within the (U-Th)/He system, often resulting in dispersed thermochronological (U-Th)/He dates. Thus, further investigations into He diffusion behavior in these minerals, enhancements in experimental methodologies, and improvements in instrument accuracy are imperative to ensure the precision of (U-Th)/He data, thereby furnishing a more dependable framework for understanding geological processes.

Key words: (U-Th)/He thermochronology, Hematite, Goethite, Magnetite, Carbonate minerals, Conodonts.

中图分类号:

P597.3

表1 用于（ U-Th） /He定年的矿物

Table 1 Minerals used for （ U-Th） /He dating

矿物	地质应用	参考文献
磷灰石	矿床定年、造山带隆升剥蚀、沉积盆地演化、古地形重建和物源示踪	［ 16 - 17 ， 20 - 23 ］
锆石	矿床定年、造山带隆升剥蚀、沉积盆地演化、古地形重建和物源示踪	［ 16 - 18 ， 20 - 24 ］
榍石	变质岩、火山岩定年和物源示踪	［ 25 - 27 ］
碳酸盐矿物	油气成藏和沉积盆地演化	［ 28 - 30 ］
牙形石	油气成藏和沉积盆地演化	［ 31 - 32 ］
萤石	热液矿床定年	［ 33 - 35 ］
石榴子石	火山岩和变质岩定年	［ 36 ］
斜锆石	洋壳和大陆地壳演化	［ 37 ］
尖晶石	洋壳和大陆地壳演化	［ 38 ］
独居石	火成岩和变质岩定年	［ 39 - 41 ］
黄铁矿	矿床定年	［ 42 - 43 ］
金红石	变质岩热历史恢复	［ 44 - 46 ］
磷钇矿	火山岩定年	［ 40 ， 45 ， 47 - 48 ］
钙钛矿	洋壳和大陆地壳演化	［ 49 ］
磁铁矿	镁铁质火山岩定年、洋壳和大陆地壳演化	［ 50 - 52 ］
褐帘石	火山岩定年	［ 53 ］
自然金	矿床定年	［ 54 ］
赤铁矿	断层滑动和变形、风化过程、矿床定年和热液活动	［ 55 - 65 ］
针铁矿	风化过程、地貌演化和矿床定年	［ 63 ， 66 - 73 ］
锰氧化物	风化过程、地貌演化和矿床定年	［ 74 ］

表1 用于（ U-Th） /He定年的矿物

Table 1 Minerals used for （ U-Th） /He dating

矿物	地质应用	参考文献
磷灰石	矿床定年、造山带隆升剥蚀、沉积盆地演化、古地形重建和物源示踪	［ 16 - 17 ， 20 - 23 ］
锆石	矿床定年、造山带隆升剥蚀、沉积盆地演化、古地形重建和物源示踪	［ 16 - 18 ， 20 - 24 ］
榍石	变质岩、火山岩定年和物源示踪	［ 25 - 27 ］
碳酸盐矿物	油气成藏和沉积盆地演化	［ 28 - 30 ］
牙形石	油气成藏和沉积盆地演化	［ 31 - 32 ］
萤石	热液矿床定年	［ 33 - 35 ］
石榴子石	火山岩和变质岩定年	［ 36 ］
斜锆石	洋壳和大陆地壳演化	［ 37 ］
尖晶石	洋壳和大陆地壳演化	［ 38 ］
独居石	火成岩和变质岩定年	［ 39 - 41 ］
黄铁矿	矿床定年	［ 42 - 43 ］
金红石	变质岩热历史恢复	［ 44 - 46 ］
磷钇矿	火山岩定年	［ 40 ， 45 ， 47 - 48 ］
钙钛矿	洋壳和大陆地壳演化	［ 49 ］
磁铁矿	镁铁质火山岩定年、洋壳和大陆地壳演化	［ 50 - 52 ］
褐帘石	火山岩定年	［ 53 ］
自然金	矿床定年	［ 54 ］
赤铁矿	断层滑动和变形、风化过程、矿床定年和热液活动	［ 55 - 65 ］
针铁矿	风化过程、地貌演化和矿床定年	［ 63 ， 66 - 73 ］
锰氧化物	风化过程、地貌演化和矿床定年	［ 74 ］

图1 各种矿物（U-Th）/He系统封闭温度范围（据参考文献［ 75 ］修改）
假设冷却速率为10 °C/Ma

Fig. 1 The closure temperature range of various mineral （U-Th）/He systems （modified after reference ［ 75 ］）
Assuming a 10 °C/Ma cooling rate

表2 实验所得的不同矿物活化能（ E_a ）和频率因子（ D₀ ）的参数值

Table 2 E_a 和 D₀ for different minerals obtained from the experiment

矿物类型	E_a /（kJ/mol）	D₀/（cm²/s）或ln（D₀/a²）/ln（s^-1）	封闭温度/°C	冷却速率/（°C/Ma）	等效晶体半径/μm	参考文献
磷灰石	150.1	D₀=594.6	68~82	10	<30	［ 78 ］
	138.1±2.1	D₀=31.6	68	10	100	［ 79 ］
	141	D₀= 86.9	74.1	10	85	［ 80 ］
锆石	184.1	D₀=1.6	190	10	60	［ 81 ］
锆石	169±3.8	D₀=0.46	183	10	60	［ 82 ］
榍石	191.3	D₀=59	200±10	10	150	［ 83 ］
榍石	152.5~161.1	D₀=0.4~6.7	149~155	10	约100	［ 25 ］
方解石	108.8	ln（D₀/a²）=13.8	17~57	10	—	［ 84 ］
	125.5±4.2	ln（D₀/a²）=11.5	—	10	—	［ 30 ］
	128.4±6.3	ln（D₀/a²）=7.6~23	60~80	10	—	［ 28 ］
白云石	153.1±13.4	ln（D₀/a²）=4.6~19.5	60~80	10	—	［ 28 ］
海百合	134.7±2.5	ln（D₀/a²）=9.8	60~110	10	—	［ 28 - 29 ］
牙形石	116~132	ln（D₀/a²）=5.96~12.9	60~67	10	—	［ 31 ］
磁铁矿	220	ln（D₀/a²）=15.7	210~290	10	—	［ 50 ］
赤铁矿	157	—	0~185	10	—	［ 61 ］
	160~190	—	20~210	10	—	［ 14 ］
	171	D₀=0.517	70~250	10	20~1 000	［ 60 ］
	147.5	ln（D₀/a²）=3~4	140~240	10	—	［ 56 ］
针铁矿	162.8~178.4	ln（D₀/a²）=26~28.3	51	10	—	［ 71 ］
针铁矿	140	ln（D₀/a²）=17.5	52	10	—	［ 85 ］

表2 实验所得的不同矿物活化能（ E_a ）和频率因子（ D₀ ）的参数值

Table 2 E_a 和 D₀ for different minerals obtained from the experiment

矿物类型	E_a /（kJ/mol）	D₀/（cm²/s）或ln（D₀/a²）/ln（s^-1）	封闭温度/°C	冷却速率/（°C/Ma）	等效晶体半径/μm	参考文献
磷灰石	150.1	D₀=594.6	68~82	10	<30	［ 78 ］
	138.1±2.1	D₀=31.6	68	10	100	［ 79 ］
	141	D₀= 86.9	74.1	10	85	［ 80 ］
锆石	184.1	D₀=1.6	190	10	60	［ 81 ］
锆石	169±3.8	D₀=0.46	183	10	60	［ 82 ］
榍石	191.3	D₀=59	200±10	10	150	［ 83 ］
榍石	152.5~161.1	D₀=0.4~6.7	149~155	10	约100	［ 25 ］
方解石	108.8	ln（D₀/a²）=13.8	17~57	10	—	［ 84 ］
	125.5±4.2	ln（D₀/a²）=11.5	—	10	—	［ 30 ］
	128.4±6.3	ln（D₀/a²）=7.6~23	60~80	10	—	［ 28 ］
白云石	153.1±13.4	ln（D₀/a²）=4.6~19.5	60~80	10	—	［ 28 ］
海百合	134.7±2.5	ln（D₀/a²）=9.8	60~110	10	—	［ 28 - 29 ］
牙形石	116~132	ln（D₀/a²）=5.96~12.9	60~67	10	—	［ 31 ］
磁铁矿	220	ln（D₀/a²）=15.7	210~290	10	—	［ 50 ］
赤铁矿	157	—	0~185	10	—	［ 61 ］
	160~190	—	20~210	10	—	［ 14 ］
	171	D₀=0.517	70~250	10	20~1 000	［ 60 ］
	147.5	ln（D₀/a²）=3~4	140~240	10	—	［ 56 ］
针铁矿	162.8~178.4	ln（D₀/a²）=26~28.3	51	10	—	［ 71 ］
针铁矿	140	ln（D₀/a²）=17.5	52	10	—	［ 85 ］

图2 赤铁矿封闭温度与颗粒大小的关系（据参考文献［ 60 ］修改）

Fig. 2 The relationship between closure temperature and grain sizes of hematite （modified after reference ［ 60 ］）

图3 各种碳酸盐矿物封闭温度和颗粒半径之间的关系（据参考文献［ 118 ］修改）

Fig. 3 The relationship between the radius of various carbonate minerals and the closure temperature （modified after reference ［ 118 ］）

表3 碳酸盐矿物不同晶体方向的活化能（ E_a ）和频率因子（ D₀ ） ^{［

118
］}

Table 3 E_a 和 D₀ for carbonate minerals in different crystal orientations ^{［

118
］}

矿物类型	E_a /（kJ/mol）		logD₀/［log（m²/s）］
矿物类型	平行c方向	垂直c方向	平行c方向	垂直c方向
方解石	55 ± 3	54 ± 10	7.98 ± 0.30	10.17 ± 0.93
菱镁矿	46 ± 4	45.6 ± 8.6	12.79 ± 0.45	12.94 ± 0.81
白云石	66 ± 4	98 ± 4	10.97 ± 0.46	6.65 ± 0.37
文石	95 ± 6 （［001］方向）	82 ± 5 （［010］方向）	7.39 ± 0.69 （［001］方向）	9.25 ± 0.49 （［010］方向）

表3 碳酸盐矿物不同晶体方向的活化能（ E_a ）和频率因子（ D₀ ） ^{［

118
］}

Table 3 E_a 和 D₀ for carbonate minerals in different crystal orientations ^{［

118
］}

矿物类型	E_a /（kJ/mol）		logD₀/［log（m²/s）］
矿物类型	平行c方向	垂直c方向	平行c方向	垂直c方向
方解石	55 ± 3	54 ± 10	7.98 ± 0.30	10.17 ± 0.93
菱镁矿	46 ± 4	45.6 ± 8.6	12.79 ± 0.45	12.94 ± 0.81
白云石	66 ± 4	98 ± 4	10.97 ± 0.46	6.65 ± 0.37
文石	95 ± 6 （［001］方向）	82 ± 5 （［010］方向）	7.39 ± 0.69 （［001］方向）	9.25 ± 0.49 （［010］方向）

图4 赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、碳酸盐矿物和牙形石在不同地质环境中的产出（据参考文献［ 59 ］修改）

Fig. 4 Simplified diagram showing geologically diverse occurrences of hematite， goethite， magnetite， carbonate minerals， and conodont in different geological settings （modified after reference ［ 59 ］）

图5 风化剖面演化过程示意图

Fig. 5 Simplified diagram showing the process during the evolution of the weathering profile

图6 断层带赤铁矿（U-Th）/He年代学数据的解释示意图（据参考文献［ 135 ］修改）
赤铁矿（U-Th）/He年龄：（a）形成年龄，（b）冷却年龄，（c）热重置事件的时间，这取决于赤铁矿形成时的环境温度相对封闭温度的高低以及形成后的热历史和变形历史

Fig. 6 Simplified diagram showing potential interpretations of hematite （U-Th）/He data from fault zones （modified after reference ［ 135 ］）
Hematite （U-Th）/He dates：（a） formation age，（b） cooling age，（c） thermal resetting， respectively. This depending on the ambient temperature hematite formed relative to closure temperature，and the post-formation thermal and deformation history

图7 大洋蛇纹岩中的磁铁矿（U-Th）/He年代学数据的解释示意图

Fig. 7 Simplified diagram showing potential interpretations of magnetite （U-Th）/He data from oceanic serpentinites

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