南京大学同位素地质学SmNd同位素年代学PPT学习教案

1、会计学1南京大学同位素地质学南京大学同位素地质学SmNd同位素年代同位素年代学学Sm的一个同位素（147Sm）是放射性的，它通过发射粒子而衰变为稳定的143Nd，虽然147Sm的半衰期很长（T1/2=1.061011年），但对地球岩石、石陨石和月岩的定年很有用。而且放射成因的143Nd和87Sr一起提供了了解行星演化和火成岩石成因的方法。第1页/共32页6.1 Sm和Nd的地球化学性质Nd（Z=60）和Sm (Z=62) 是元素周期表IIIB族中的稀土元素（REE）。第2页/共32页REE一般形成+3价离子，它们的离子半径随着原子序数的增加而减小，即从La (Z=57)的1.15到Lu (Z=

2、71) 的0.93。第3页/共32页石灰质陨石第4页/共32页REE在氟碳铈矿、独居石和铈硅矿等矿物中含量很高，但在一般造岩矿物中REE置换主元素而成为分散元素。矿物晶格对容纳REE具有相当大的选择性：长石、黑云母和磷灰石倾向于选择轻稀土元素辉石、角闪石和石榴石一般选择重稀土元素。第5页/共32页Nd和Sm属于轻稀土元素， Nd3+离子半径为1.08， Sm3+为1.04。Sm和Nd的化学性质很相似，在许多地质过程中Sm和Nd不会发生明显的分离。地球上岩石和矿物的Sm/Nd比值仅变化于0.1到0.5之间。第6页/共32页第7页/共32页由于Nd3+离子半径较Sm3+的大，因而Nd3+的离子键较

3、Sm3+的离子键易于断裂，因此，由地幔或地壳岩石部分熔融形成的硅酸盐熔体中，Nd相对于Sm发生富集，从而典型地壳岩石的Sm/Nd比值低于上地幔源岩石的Sm/Nd比值。在岩浆分离结晶过程中，残余岩浆中Nd相对于Sm也发生富集。第8页/共32页一般而言，火成岩分异程度增强，其Sm和Nd含量升高，但Sm/Nd比值有所下降。例如:洋中脊玄武岩(MORB)的Sm/Nd比值为0.32而花岗岩的仅为0.19。与硅饱和的岩石相比，碱性火成岩如响岩、粗面岩和正长岩富集Sm和Nd，其Sm/Nd比值一般变化于0.100.20之间。各种沉积岩也具有较低的Sm/Nd比值。第9页/共32页6.2 SmNd法定年 Sm有7

4、个天然存在的同位素，其丰度如下：144Sm 3.1%，稳定147Sm 15%，放射性148Sm 11.2% ，稳定149Sm 13.8% ，稳定150Sm 7.4% ，稳定152Sm 26.7% ，稳定154Sm 22.8%， 稳定第10页/共32页Nd有7个天然存在的稳定同位素的丰度如下：142Nd 27.1%143Nd 12.2%144Nd 23.9%145Nd 8.3%146Nd 17.2%148Nd 5.7%142Nd 5.6%第11页/共32页Sm-Nd 之间有两对母-子体同位素：147Sm衰变为143Nd，146Sm衰变为142Nd。146Sm的半衰期较短，现已衰变完了，146Sm

5、本身是由150Gd衰变而来（Lugmair and Marti, 1977）。aT821100 . 1第12页/共32页QNdSm1436014762aT11211006. 1QSmGd1466415064aT621108 . 1QNdSm1426014662aT821100 . 1第13页/共32页与Rb-Sr体系相似，147Sm衰变与143Nd的增长可用下式描述：1144147144143144143tieNdSmNdNdNdNd式中6.5410-12a-1，是许多测定的加权平均值（Lugmair and Marti, 1978）第14页/共32页 SmNd等时线年龄测定，通常通过分析单矿

6、物或同源同生的一套Sm/Nd比值变化尽可能大岩石来实现，等时线条件与RbSr法相同。 第15页/共32页 SmNd法适合于基性、超基性火成岩的定年 RbSr法更适合于酸性、中酸性火成岩的定年 更重要的是REE在变质作用、热液作用和化学风化作用中比Rb、Sr要稳定的多。结果对那些已发生Rb、Sr迁移的岩石仍能用SmNd法进行定年 所以SmNd法可用来测定那些因Rb/Sr比值低或对RbSr不再封闭的岩石的年龄。第16页/共32页6.3 低级变质火成岩定年（火成岩定年）147Sm的半衰期很长，最适用于对前寒武系的定年。因此，早期的Sm-Nd研究集中于对太古代火成岩的结晶年龄测定。太古代火成岩往往由于

7、受后期变质作用的影响，Rb-Sr或K-Ar法常常不能给出精确的结晶年龄。Stillwater杂岩体（DePaolo and Wasserburg, 1979）提供了Sm-Nd法应用的一个很好的例子。第17页/共32页0.000.040.080.7020.7030.7040.7050.706Minerals2.7 Ga reference linePLCPXCPX 87Rb/86Sr87Sr/86Sr0.00.10.20.30.5080.5100.5120.514Minerals2701+-8 MaCPXCPXWRPL 147Sm/144Nd143Nd/144Nd0.120.160.200.24

8、0.5110.512WholeRocks2701 Ma mineral isochron 147Sm/144Nd143Nd/144Nd从Stillwater杂岩体层状系列堆晶岩部分分离出的三个矿物的Rb-Sr同位素分析数据不构成等时线，而这三个矿物的Sm-Nd数据构成一条很好的等时线，计算年龄为27018Ma。第18页/共32页0.000.040.080.7020.7030.7040.7050.706Minerals2.7 Ga reference linePLCPXCPX 87Rb/86Sr87Sr/86Sr0.00.10.20.30.5080.5100.5120.514Minerals27

9、01+-8 MaCPXCPXWRPL 147Sm/144Nd143Nd/144Nd0.120.160.200.240.5110.512WholeRocks2701 Ma mineral isochron 147Sm/144Nd143Nd/144Nd为检验矿物Sm-Nd体系是否已遭受变质重置，DePaolo & Wasserburg（1979）还分析了该侵入体不同层的6个全岩样品的Sm-Nd同位素，全岩结果全部落在矿物Sm-Nd等时线上，说明矿物等时线反映了该侵入体的结晶年龄，以及岩浆体具有均一的初始Nd同位素组成。第19页/共32页另一个例子是南非Onverwacht群科马提岩钠质斑岩由于低级

10、变质作用，全岩Rb-Sr受扰动，Sm-Nd等时线年龄354030Ma (Hamilton et al. 1979; Jahn et al.1982)第20页/共32页6.4 高级变质岩定年Sm-Nd法常用于测定其它同位素体系已被重置的高级变质火成原岩的年龄。第21页/共32页例如：苏格兰西北部的Lewisian片麻岩：麻粒岩相和角闪岩相片麻岩的全岩Rb-Sr、Pb-Pb和锆石U-Pb年龄基本一致，分别为2630140、268060、266020Ma（Moorbath et al., 1975; Chapman and Moorbath, 1977; Pidgeon and Bowes, 197

11、2）。但是，这些片麻岩一般都很亏损Rb和U，因此在变质亏损过程中，对Rb和U等元素而言，即使很大的全岩样品也可能是开放体系。第22页/共32页Hamilton et al. (1979) 对一套全岩样品（包括层状基性岩和英云闪长岩）进行了Sm-Nd定年，获得等时线年龄292050Ma，第23页/共32页0.100.150.200.250.5110.5120.513Rb-Sr=2630K-Ar =2680U-Pb =26602920+-50 Ma 147Sm/144Nd143Nd/144Nd说明该片麻岩在麻粒岩相变质过程中对Sm-Nd而言仍为封闭体系。因此该Sm-Nd年龄被解释为火成原岩的形成年

12、龄。第24页/共32页Whitehouse（1988）进行了更详细的研究，基性岩和中-酸性岩分别进行Sm-Nd定年，结果表明：层状基性岩的Sm-Nd年龄保持在2.91Ga；中-酸性岩全岩的Sm-Nd等时线年龄（2600155Ma）与锆石U-Pb年龄基本一致,说明中-酸性岩全岩Sm-Nd体系已被重置。第25页/共32页Sm-Nd法有时也被用于高级变质矿物(变质事件)的定年。然而，REE的不活动性，对测定火成岩结晶年龄非常有利，但对变质作用的定年却成为不利因素，在高级变质作用中，矿物Sm-Nd体系可能受到很大的扰动，但要完全重置不太容易。第26页/共32页挪威西部的加里东榴辉岩提供了这方面的一个例

13、子（Mork and Mearns, 1986）： 辉长岩已经转变为具有榴辉岩的矿物成分（石榴石和绿辉石），但仍保留残余火成结构，其Sm-Nd同位素在加里东变质过程中没有达到平衡； 而附近已转变为榴辉岩的围岩形成一条分散性很小的Sm-Nd等时线（MSWD=0.1），其年龄为加里东变质年龄（40016Ma）。第27页/共32页这两种榴辉岩的Sm-Nd同位素差别，不可能是由P-T条件不同引起，因为两者相距不到1km。但围岩榴辉岩由于贯透性变形和重结晶，已经完全丧失了其原岩的组构。Mork and Mearns因此建议，这种物理上的变动，对于矿物相之间达到完全的Nd同位素平衡可能是必须的。第28页/共32页6.5 热液矿床S