Lu-Hf同位素体系分析

1、Lu-Hf 同位素体系简介一、Lu-Hf 同位素 镥是一种稀土元素,镥在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛,但含 量很低.自然界中镥的重要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及 某些稀土矿物(如独居石、黑稀金矿、铌钇矿、褐帘石和硅铍钇矿等) .镥有两个天然同位素：175Lu和176Lu.它们的相对丰度分别为97.39%和2.61%. 176Lu为放射性同位素,通过 厂衰变形成更稳定的176Hf.铪是一种分散元素,其化学性质和离子半径与锆石非常相似,因而常以类质 同像替换锆的方式进入许多矿物的晶体结构,其中以锆石中铪的含量最高.铪有6个同位素：174Hf,176Hf,177Hf,17

2、8Hf,179Hf,18°Hf,它们的相对丰度分别为：0.20%, 5.2%, 18.6%, 27.1%, 13.7%, 35.2%.其中 174Hf 是放射性同位素,它 通过a衰变形成稳定的170Yb.二、Lu-Hf 法定年根本原理：173 Lu 176 Hf E含镥岩石或矿物的年龄可根据下式计算：173Hf /177 Hf ( 176 Hf /177 Hf )i 176 Lu /177 Hf (e t 1)176Lu的衰变常数 入=1.94 ± 0.07 X 10-11对于满足等时线年龄测定的一组样 品,可采用与 Sm-Nd 和 Rb-Sr 法相似的等时线方法来测定样品

3、的 Lu-Hf 等时线 年龄.适合于 Lu-Hf 同位素年龄测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石.锆石 的镥含量虽高达24X1®,但因其铪含量太高；硅铍钇矿虽具有很高的镥含量, 但因其极少见,因而这两个矿物通常不适合用于 Lu-Hf 年龄的测定对象.三、Lu-Hf 法定年实例1.含石榴石变质岩的 Lu-Hf 同位素定年 石榴石是结晶岩,特别是变质岩中一中非常常见的矿物.石榴石具有较高的Hf封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的Hf含量使Lu-Hf法比Sm-Nd和Pb-Pb法有更优越的特点.1.1 石榴子石 Lu-Hf 封闭温度对封闭温度的解读是诠释放射性同位素年龄代表矿物生长 /结晶

4、年龄或冷却 年龄的重要前提. 放射性同位素母子体在特定矿物中的封闭温度与其活化能、 元 素扩散系数、岩石冷却速率以及矿物颗粒大小和开头等因素密切相关. 目前一般 认为石榴子石Lu-Hf体系封闭温度高于700C,高于或者等于同等条件下石榴子 石Sm-Nd体系的封闭温度.1.2包裹体的影响变质岩中石榴子石中常见大量的固相包裹体,例如单斜辉石、角闪石、绿泥 石、云母、锆石、磷灰石、金红石和榍石等.这些常见包裹体矿物中,富集Lu元 素的磷灰石和含大量Hf的锆石和金红石包裹体对石榴子石 Lu-Hf定年的影响不 容无视(图1),其他常见矿物包裹体对石榴子石 Lu-Hf体系的影响那么非常有限.图1锆石对于石

5、榴子石 Lu-Hf等时线影响示意图1.3以大别榴辉岩为例的Lu-Hf年代学图2大别榴辉岩样品SH02的石榴子石一全岩176Lu/177Hf-176Hf/177Hf等时线图石榴子石一全岩的等时线图见图2.全岩与石榴子石的176Lu/177Hf比值范围 为0.010.05,得到的等时线年龄为254土 16Ma,初始176Hf/177Hf比值为 0.282121 ± 0.000010MSWD=0.35,对应的 硏(254Ma) =-16.6.石榴子石 Lu-Hf 定年方法由于石榴子石生长的复杂性, 需要考虑多种因素对 Lu-Hf 年龄结果的影响,才能赋予年龄正确的地质意义.2.含磷灰石岩石

6、的 Lu-Hf 同位素定年磷灰石是另一个 Lu/Hf 比值较高的矿物,由于该矿物不仅产于通常的岩浆岩 和变质岩中,在沉积岩中也经常出现, 因而也是进行沉积作用定年代的重要对象.岩浆岩,特别是镁铁质岩浆岩由于经常缺乏锆石等适合测年的矿物,成为年代学研究中的一个难点.Barfod et al. (2003对 Gardiner、Skaergaard和 Khibina 三 个侵入体岩石中的磷灰石、异性石、榍石和全岩进行了 Lu-Hf同位素测定,所获 得的等时线年龄分别为53.53 ± 0.5360.18 ± 0.45口 402.4 ± 2.8M&采用的176Lu衰

7、 变常数为 1.869 x T01).之后,Larsson and Soderlund (2005对瑞典南部含 Fe-Ti 矿 化的镁铁质堆晶岩进行了测定, 其磷灰石、斜长石和全岩构成一条 1204.3±1.8Ma 的 Lu-Hf 等时线,这一年龄也与用其它方法获得的年龄一致.3. 岩石圈地幔的 Lu-Hf 同位素定年 岩石圈地幔的定年一直是固体地球科学研究的难点, 一方面是缺少常见的定 年矿物,其二是地幔的温度高,通常的同位素体系在地幔中不能封闭.此外,岩 石圈地幔在形成后大多经历过后期交代作用.因此,传统的 Sr-Nd-Pb 等同位素 大多采用Re-Os法来对此年龄加以限定,但

8、Re的活动性质使获得年龄的解释复 杂化.因此, 近几年来, 各国学者都在努力探索 Lu-Hf 法对岩石圈地幔定年的可 行性.从理论上来说, Lu-Hf 同位素体系具有较高的封闭温度,并有可能在岩石 圈地幔形成后一直保持封闭,从而可以给出可信的年龄.四、Hf 同位素在地质学中的应用1.Hf同位素示踪的根本原理Lu 与 Hf 均为难溶的中等 强不相容性亲石元素,这一点与 Sm-Nd 体系有 很大的类似性.因此,Hf同位素示踪的根本原理与 Nd同位素相同.1.1Hf同位素研究中的有关公式Hf(0) (176 Hf /177 Hf )S / (176 Hf /177 Hf )CHUR,0 1) 100

9、00Hf(t) (176Hf/177Hf)S (176 Lu/177 Hf )S (et 1)/ 176 Hf /177 Hf CHUR ,0176 Lu /177 Hf CHUR et 11) 10000THf1 1/ ln1 (176Hf /177 Hf )S (176 Hf /177 Hf )DM / (176 Lu /177 Hf )S (176Lu/177Hf)DM)THf 2 THf1 (THf 1 t)( f cc fs)/ (fcc fDM )fLu/Hf (176 Lu /177 Hf )S / (176 Lu /177 Hf )CHUR 1其中,(176Lu/177Hf)s

10、和(176Hf/177Hf)s为样品待测值,(176Lu/177Hf) chur=0.0332, (176Hf/177Hf)CHUR,0=0.282772；(176Lu/177Hf)DM=0.0384, (176Hf/177Hf)DM=0.28325. fcc, fs, fDM 分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的fLu/Hf . T 为样品形成时间,入=1.867 xgeaf1.1.2Nd-Hf 同位素的相关性和解耦Sm-Nd、Lu-Hf体系的相似性导致 Nd与Hf同位素间呈现正相关Vervoort and Patchett,1996,并提出 押Ndt的关系式.但这两个体系仍存在一定的差 别：1

11、在局部熔融过程中,Lu/Hf元素的比值变化范围要大于 Sm/Nd的变化范 围.同时,176Lu的半衰期36Ga要比147Sm的半衰期108Ga差不多要短三 倍,从而出现在相同的时间内,Hf同位素比值的变化要大于 Nd同位素的变化 约两倍关系,这也使得Lu-Hf体系还可适应于年轻体系的研究；2在风化 作用过程中,不同产物的Sm/Nd比值不会发生很大的变化；但对 Lu-Hf体系, 情况变得不同.由于,Hf主要与Zr结合而赋存在锆石中,在岩石风化过程中, 锆石主要在粗粒的碎屑沉积物中富集；而细粒的沉积物,如粘土,其锆石的含量很少.因此,不同风化程度岩石的Lu/Hf比值有很大的变化范围,这一现象又称锆

12、石效应 zircon effect, Patchett et al.,1984但是 Vervoort el al.1999对 100 余 个沉积岩样品的测定发现,所谓的锆石效应并不明显.3尽管Hf、Nd同位素存在一定的正相关性,但与Sm-Nd体系中Sm的Nd同属稀土元素的特点不同的 是,Lu属稀土元素,而Hf属高场强元素,因而Lu和Hf的地球化学性质存在显 著差异.这样在岩石变质和岩浆作用过程中,有可能 鉢和曬d之间并不存在预 想的线性关系,即存在Nd-Hf同位素的解耦.图3下地壳麻粒岩的Nd-Hf同位素变异图但是,尽管局部地区存在Nd-Hf同位素解耦的实例,但下地壳麻粒岩 Nd-Hf 同位素

13、间的线性关系仍非常清楚图3,说明在宏观尺度上,石榴石可能并未进 入熔体相,或者在下部地壳中,石榴石出现的时间较短而缺乏以产生放射性成因 Hf的积累.表1重要地球化学储源库现今Hf同位素组成储源库名称176Lu/177Hf176Hf/177Hff Lu/Hf球粒陨石0.0332 ±20.282772 ± 290.00亏损地幔0.03840.283250.16下地壳镁铁质0.022-0.34上地壳长英质0.0093-0.72平均地壳0.015-0.551.3重要地球化学储源库的Hf同位素组成表1列出了目前相对确定的球粒陨石和亏损地幔的Hf同位素组成,对不同类型富集地幔及地壳等的

14、Hf同位素组成目前还缺乏应有的研究.1.4锆石Hf同位素示踪在Hf同位素示踪研究中,锆石是一个非常重要的矿物.由于该矿物具有较 高的Hf含量,但Lu的含量又极低,从而导致其176Lu/177Hf具有非常低的比值. 因此,锆石在形成后根本没有明显的放射性成因Hf的积累,所测定的176Hf/177Hf比值根本代表了其形成时体系的 Hf同位素组成.运用锆石Hf同位素示踪地质演化具有一系列的优越性.首先,锆石在大多 数岩石中都存在,而且极抗风化；其二,锆石具有很高的Hf同位素体系封闭温度；第三,锆石具有较高的Hf含量和极低的Lu/Hf比值,因而由年代不确定性 引起的176Hf/177Hf比值误差有限；

15、第四,和Nd同位素不同,一个岩石假设由多种 组份构成,那么我们可以通过获得多组锆石来熟悉它的演化,而对于该岩石,我们获得的同Nd同位素数据只有一个.1.5Hf同位素模式年龄的解释就锆石的Hf同位素示踪而言,我们在大多数情况下还应考虑其两阶段的模式年龄,根本原理如图4所示.(J 2SJ50 2K25-U非釦学 OKI 5O2KIO0 IWJ ZIXKJ 30004000L (VIA)1(1002.000 3&CMI 4G(MJi (Ma).图4单阶段与两阶段 Hf模式年龄计算示意图假设2.5Ga时亏损地幔熔融形成玄武质下地壳岩石地壳形成事件,模式年龄的涵义,而该岩石在1.0Ga时发生再熔

16、融形成花岗岩地壳物质再循环.如果所形成的花岗岩具有其源岩的 Lu/Hf比值,它演化至现在的Hf同位素组成为A点.这样根据测定获得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf数据,我们可获得该岩石的Hf模式年龄为2.5Ga.但对1.0Ga形成的花岗岩中的锆石而言,它演化至现在的Hf同位素组成为B点；根据测定获得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf数据所获得的Hf模式年龄为Tdm1,该值明显小于其真正的模式年龄2.5Ga.这时,我们只有使用两阶段模式年龄TdM2方法才能获得其真正的壳幔分异作用的时代.显然,如果锆石的年龄越年轻,所获得的单阶段模式年龄与真正模式年龄的差值就 越大.无

17、论采用单阶段还是两阶段模式, 我们都必须注意由于不同地区亏损地幔的 不均一性而带来的 Hf 模式年龄的误差.同时,我们强调, Hf 的模式年龄决不等 于其形成年龄.对于地幔来源的玄武质岩石而言,如果 Hf 模式年龄与其形成年 龄相近,这说明该玄武质岩石来源于亏损地幔.如果 Hf 模式年龄大于其形成年 龄,那么说明其岩浆源区受到过地壳物质的混染或来自于富集性地幔.但假设 Hf 模 式年龄在误差范围内小于其形成年龄, 那么大多数情况下应考虑数据的可靠性或者 Nd-Hf 同位素的解耦. 对花岗质岩石而言, 由于它主要来源于地壳岩石的局部熔 融,所以其 Hf 模式年龄要远大于其形成年龄. 但假设 Hf 模式年龄与其形成年龄相 近,那么说明其地壳源区是新生的. 比拟复杂的是, 如果岩石或其源区是由多种组 分组成的,或者锆石来源于多种组分混合而成的岩浆结晶的,那么 Hf 同位素模式 年龄的意义难以讨论.五、结语以上对 Lu-Hf 同位素的分析方法笔根本原理作了简单的介绍,可以看出,该 同位素体系在岩浆岩、 沉积岩和变质岩中都具有广泛的应用前景. 由于 Lu-Hf 同 位素体系具有比其它同位素体系较高的封闭温度, 因此具有更高的精度, 尤其是 对石榴子石的定年有更好的应用前景.而利用 Hf 同位素进行示踪也将在地质学 界