第四章同位素地球化学3(2012)

1、 第四章第四章 放射性同位素地球化学放射性同位素地球化学# protons# nucl eons2342352 362 37238 238U234Th929190144145146# protons# neutrons# nucl eons2342352 362 37238-decay# protons# nucl eons868 788 87Rb87Sr38374950# protons# neutrons# nucl eons868 788-decaySm-NdSm-Nd法定年和钕同位素地球化学法定年和钕同位素地球化学自然界的钐和钕2. Sm-Nd等时线(isochron)年龄 3. Sm

2、-Nd模式年龄 4. 钕同位素地球化学 一、 自然界的Sm、Nd1 1、钐和钕的化学性质、钐和钕的化学性质Sm、Nd：La系，即稀土元素家族的成员，原子序数分别为62和60。La系15个元素的化学与地球化学性质十分相似。都为典型金属、亲石元素，活泼性仅次于碱金属和碱土金属。 大多数以痕迹状态分散在造岩矿物中，一部分在磷灰石、锆石、褐帘石等副矿物中较为富集，尚未发现Sm、Nd的独立矿物。2 2、钐和钕的分布岩石中、钐和钕的分布岩石中基性超、基性岩石的Sm/Nd比高于中酸性岩石这有别于其他各衰变系(Rb/Sr，U-Th-Pb)，后者都是酸性岩偏高。Sm-Nd计时更适于基性和超基性岩。火成岩的Sm、

3、Nd含量随岩浆分离结晶作用发展，从超基性、基性岩到酸性岩再到碱性岩有递增趋势，最后富集在地壳最上部。但是Nd与Sm相比增加更快。SmSm的含量一般为几个的含量一般为几个ppmppm，NdNd的含量是的含量是SmSm的的2 27 7倍。倍。二、Sm、Nd法计时钐和钕的同位素组成钐和钕的同位素组成147Sm的半衰期：1.061011a45亿年内，陨石中143Nd/144Nd比值仅增加约1.2143Nd/144Nd比值变化万分之一将产生40Ma的年龄偏差Sm-NdSm-Nd计时仅适合古老岩石的年龄测定，且需要精计时仅适合古老岩石的年龄测定，且需要精度达十万分之几的质谱同位素分析。度达十万分之几的质谱

4、同位素分析。147Sm的 T1/2=1.061011a，=6.54l0-12a-1QNdSm1436014762147Sm的衰变的衰变1431431471441441440(1)tNdNdSmeNdNdNd147147144144.cSmSmat wt NdAbSmNdNdat wt SmAbNd其中：其中：1. 1. 计时方程计时方程1/ln1144147144143144143NdSmNdNdNdNdt现初始总Ya+bX斜率：斜率：b=et-1 截距：截距：a=(143Nd/144Nd)初始初始 该直线称为 等时线等时线1eNdSmt144147144143144143现初始总NdNdNd

5、Nd2. Sm、Nd的等时线年龄的等时线年龄（1）所研究的样品具有同时性和同源性；）所研究的样品具有同时性和同源性；（2）样品形成后，保持）样品形成后，保持Sm、Nd的封闭体系的封闭体系（3）所测样品有较明显的）所测样品有较明显的Sm/Nd比值差异比值差异要获得可靠的要获得可靠的Sm-Nd 等时年龄，等时年龄，要满足下列条件：要满足下列条件：陨石球粒陨石的147Sm/144Nd比值仅变化在0.19320.2000之间。由于测量误差存在，全陨石间完全不能构成理想等时线。 采用内部等时线法能够扩大Sm/Nd比值变化。Lugmair(1977)对Angra Dos Reis(ADOR)辉石无球粒陨石

6、的测定。从陨石中两个相邻团块里分别挑选了3个磷酸盐矿物和4个辉石类矿物。 镁铁镁铁-超镁铁质岩超镁铁质岩镁铁-超镁铁质岩类是Sm-Nd等时线的优势测年对象。因为它们Sm/Nd比值常常变化较大。特别是二辉橄榄岩等地幔部分熔融作用残留体。测定它们对地幔研究有直接意义。 1.Sm-Nd同位素系统的封闭性在低变质作用过程中不易被改变。2.矿物及岩石的Sm-Nd同位素系统的封闭温度较高（相对于Rb-Sr而言）。3. 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，因而对那些已发生Rb、Sr迁移的岩石仍能用Sm-Nd法定年。变质岩和矿物的等时线定年变质岩和矿物的等时线定年前寒武纪变质岩前

7、寒武纪变质岩 各种地质作用都很难使各种地质作用都很难使SmSm和和Nd Nd 发生分离和迁移，因而发生分离和迁移，因而Sm-NdSm-Nd体系一般体系一般较易保持封闭。较易保持封闭。(147Sm、143Nd这对母子体同位素同属稀土元素，具有十分相似的地球化学性质，使得放射性成因的子体143Nd形成后很自然地继承母体在晶格中的位置，而不会逃逸。研究表明：如果体系中没有流体参与，角闪岩相甚至麻粒岩相变质作用的岩石，仍能使Sm-Nd同位素系统保持封闭，从而能获得较正确的变质岩原岩的年龄信息。)由于由于147147SmSm的衰变常数较小，因此的衰变常数较小，因此Sm-NdSm-Nd法通常适合对古老岩石

8、的定年法通常适合对古老岩石的定年（1010亿年）。亿年）。Sm-NdSm-Nd等时线法的优点等时线法的优点三、三、Sm、Nd的模式年龄的模式年龄根据某种模式假设的钕同位素初始比值来计算的年龄。在45亿年期间的放射成因Nd增加还不到1.2。因此无法向Sr同位素初始比值那样直接确定初始的143Nd/144Nd比值。而是假定地球和陨石具有共同的钕同位素初始比值，根据143Nd/144Nd演化曲线，计算Sm-Nd系列的模式年龄。为了计算模式年龄，D.J.Depaolo等(1976)提出了CHUR(球粒陨石均一库)的概念，指用CHUR或平均球粒陨石的Sm/Nd比值代表地球或未经过化学分异的原始地幔的Sm

9、/Nd比值。CHUR=Chondrite Uniform Reservoir) 1()/() 0()(0144147tCHURNdCHURNdCHUReNdSmItI假如地壳岩石产生于CHUR地幔源，且稀土元素的化学分馏作用主要发生在CHUR源区分异和形成地壳岩石的时候，那么岩石的143Nd/144Nd初始比值就应该是CHUR产生它那时所具有的143Nd/144Nd演化值，即： (143Nd/144Nd)i=(t)NdCHURI1431440143144014714401471440(/)(/)1(/)(/)tRCHURRCHURNdNdNdNdeSmNdSmNd 14314401431440

10、14714401471440(/)(/)1ln1(/)(/)RCHURRCHURNdNdNdNdtSmNdSmNdDepaolo等(1976)和Wasserburg等(1981)及其以后 511847. 0)0(NdCHURI1967. 0)/(0144147CHURNdSm其他人都采用 512638. 0)0(NdCHURI1967. 01966. 0)/(0144147或CHURNdSmt为为CHUR模式年龄（模式年龄（TCHUR)，其中：，其中：1431440143144014714401471440(/)(/)1(/)(/)tRDMRDMNdNdNdNdeSmNdSmNd 143144

11、0143144014714401471440(/)(/)1ln1(/)(/)RDMRDMNdNdNdNdtSmNdSmNdt为为DM模式年龄模式年龄(TDM)，其中：，其中：01431440147144/0.51315;/0.2137;DMCHURNdNdSmNd（1 1）岩石源区同位素组成与）岩石源区同位素组成与CHURCHUR或亏损地幔吻合；或亏损地幔吻合；（2 2）岩石）岩石Sm/NdSm/Nd比值与比值与CHURCHUR或亏损地幔或亏损地幔Sm/NdSm/Nd有明显差别，有明显差别，即分馏明显，一些基性岩即分馏明显，一些基性岩Sm/NdSm/Nd与与CHURCHUR或亏损地幔相近而无或

12、亏损地幔相近而无法获得正确的模式年龄。法获得正确的模式年龄。（3 3）幔源岩浆常受到壳源岩浆的混合或地壳物质的混染作用）幔源岩浆常受到壳源岩浆的混合或地壳物质的混染作用（Arndt and Goldstein, 1987Arndt and Goldstein, 1987），此时模式年龄为混合年龄，不），此时模式年龄为混合年龄，不代表该岩浆事件的时间。因此，用模式年龄研究地壳形成事代表该岩浆事件的时间。因此，用模式年龄研究地壳形成事件时，应尽可能辅以锆石件时，应尽可能辅以锆石U-PbU-Pb等年龄资料。等年龄资料。1ln10144147014414701441430144143CHURRCHUR

13、RNdSmNdSmNdNdNdNdtTCHURNd模式年龄的应用前提及注意事项：模式年龄的应用前提及注意事项：Bulk EarthCorePrimitive mantleCrustMordern MantleLowerMantleUpperMantleUpperCrustLowerCrust2、地壳及地幔的演化 图 地球钕同位素演化A A-地球形成初期球粒陨石均一储库(CHUR)0.50680.5068的143Nd/144Nd比值. ADAD表示经历一定时间直到当前0.51260.5126比值储库平均比值的变化. BEBE表示从2.92.910109 9年地幔中萃取的地壳物质同位素比值的变化.

14、BCBC表示相应富Nd地壳源于地幔部分同位素比值的变化.Sm、Nd这对母子体具有相似的地球化学性质，除岩浆作用这对母子体具有相似的地球化学性质，除岩浆作用过程过程Sm/Nd比值能发生一定变化外，一般地质作用很难使比值能发生一定变化外，一般地质作用很难使Sm、Nd分离，特别是在地质体形成之后的风化、蚀变与变质作分离，特别是在地质体形成之后的风化、蚀变与变质作用过程，用过程，Sm、Nd同位素通常不会发生变化；同位素通常不会发生变化；地球由原始太阳星云形成，继而分异成地核和原始地幔。地幔再次发生分异形成地壳。可以想象古老岩石的物质来自地幔。古老岩石的(143Nd/144Nd)i比值紧密接近CHUR值

15、，这反映地幔的均匀性。当地幔分异形成地壳时，钕比钐优先进入地壳，这使得地壳的Sm/Nd比值小于球粒陨石均质体的Sm/Nd比值 (0.318)，地壳的143Nd/144Nd比值小于球粒陨石均质体的同一比值 (0.51264)。由于物质平衡，相应地地幔上部钕的含量相对于CHUR发生了亏损，Sm/Nd0.318。这使得143Nd/144Nd0.51264。巳获得的资料表明，大陆壳的平 均143Nd/1 4 4Nd比值近似于0.5119(根据Depaolo(1981)，Nd资料计算)，大洋中脊玄武岩(MORB)的143Nd/144Nd比值介于0.51290.5134之间。Nd（t)=0.25t2-3t

16、+8.5由于在整个地质时期由于在整个地质时期143Nd /144Nd比值变化很小，引入了比值变化很小，引入了Nd参数，其涵义为：参数，其涵义为：4144143144143101)0(/)0(/)0(CHURsampleNdNdNdNdNd式中的式中的Nd（0）代表样品现今的（）代表样品现今的（143Nd /144Nd）S相对相对CHUR现现今的（今的（143Nd /144Nd）CHUR比值的偏差值。比值的偏差值。4144143144143101)(/)(/)(tNdNdtNdNdtCHURsampleNd式中的式中的Nd(t)代表样品代表样品t时刻（时刻（143Nd /144Nd）S（t）相对

17、于）相对于t时刻时刻的的CHUR(143Nd /144Nd)CHUR(t)的偏差值。的偏差值。3 NdNd值值0123450.5040.5060.5080.5100.5120.5140.516CHUR地球形成富集源亏损源熔体(Sm/Nd)残余固相(高Sm/Nd)部分熔融CHURSN t (Ga)143Nd/144NdSm/NdSm/Nd：CHURCHUR库部分熔融岩浆库部分熔融岩浆CHURCHUR库，库，NdNd同位素演化线斜率同位素演化线斜率CHURCHURCHUR库，库，NdNd同位素演化线斜率同位素演化线斜率CHURCHUR演化线斜率，演化线斜率，LILLIL亏损。亏损。n Nd(t)0

18、, Nd(t)0, 物质来自亏损地幔：源于一个早期已产生过岩浆所留下的物质来自亏损地幔：源于一个早期已产生过岩浆所留下的残余固相库，亏损那些易于分配进入岩浆的残余固相库，亏损那些易于分配进入岩浆的LILLIL，如源于亏损地幔洋脊，如源于亏损地幔洋脊玄武岩初始玄武岩初始143143Nd/Nd/144144NdCHURNdCHUR。n Nd(t)0, Nd(t)0, 物质来自地壳：表明源于物质来自地壳：表明源于Sm/NdSm/Nd低于低于CHURCHUR的源区，源区的源区，源区或是古老地壳、或有古老地壳加入，因古老地壳从或是古老地壳、或有古老地壳加入，因古老地壳从CHURCHUR库分离出来库分离出

19、来时时Sm/NdCHURSm/Nd04、钕和锶的相关性 Depaolo和Wasserburg(1976b，l977)，Richard (1976)和ONions(1977)等人的工作还发现，在近代玄武岩中锶同位素和钕同位素有一定关系。图中Sr的定义和Nd一样 (Depaolo等Wasserburg，1976b)。图5-9 地球钕和锶同位素演化(Krauskopf,1995)地幔阵列(Mantle array)指示地幔成因玄武岩的同位素演化:8787Sr Sr, ,143143NdNd。与初始物质相比, 来自地幔流体放射性母体Rb增高, Sm则降低。这一关系由幔源玄武岩(MORBs和洋岛玄武岩)

20、呈现一条从右上角下降的直线。源于地壳或与地壳物质混合的大陆玄武岩同位素变化范围较大。该图给出了岩浆岩成因的信息。 式中ISr87Sr/86Sr，为样品的测定值；ISr UR为锶的均质体的87Sr/86Sr比值，它可以用整个地球的值来代表，ISr UR (O)0.7045，Sr (O)和Sr (T)分别为时间为0（现在）和时间T时样品的87Sr/86Sr比值偏离锶均质体的87Sr/86Sr比值的程度。410)()()()(OIOIOIOURSrURSrSrSr410)()()()(TITITITURSrURSrSrSr 1）均一岩浆源的混合作用 D. J. Depaolo和G. J. Wasse

21、rburg(1976，1977，1979)认为:大洋中脊玄武岩，海岛玄武岩、岛弧火山岩和大陆溢流玄武岩，可能是亏损地幔和原始地幔按不同比例混合的产物，混合作用是在大规模的地幔对流过程中产生的。由于地壳的形成，上地幔钕相对于球粒陨石均质体发生了亏损，这造成上地幔143Nd/144Nd比值具有大于球粒陨石均质体的值，Nd+12，下地幔仍然保持不变，Nd0。两层地幔不同比例的混合可以产生不同中间Nd值的岩浆。地壳岩石可能是地幔来源物质和 (先存)地壳物质混合的产物，混合作用是在地幔岩浆上升侵位的过程中发生的。混合岩浆的Nd与Sr取决于参加混合的两个源区的年龄、Sm/Nd，Rb/Sr以及Nd、Sr含量

22、。 2）岩浆源的凝聚分异作用这一假设是由G. F. Davies(1981)提出的。他认为，当一个均一的原始岩浆源分异成几个(至少2个)次生岩浆源，而且分异作用是在铷、锶、钐、钕的分配系数固定的情况下进行时，在所形成的岩石中就能观察到Nd-Sr同位素的负相关现象。 Nd-SrNd-Sr同位素相关性的应用同位素相关性的应用由于地幔物质和地壳物质的铷、锶、钐、钕的相对丰度以及Rb/Sr，Sm/Nd都具有明显的区别，因而它们的相关特性也表现出不同的趋势。由此可知，分析岩石的钕、锶同位素组成，研究它们的相关特性，是判断岩石成因的一个重要的研究手段。 1 1）查明海水对火成岩的影响）查明海水对火成岩的影响因为海水的锶含量 (8ppm)和87Sr/86Sr (0.709左右)高，而钕含量很低 (310-5ppm)，因此，大洋玄武岩如果和海水发生了同位素交换，或者玄武岩在形成过程中受到了海水的影响，那么在Nd-Sr图上，大洋玄武岩的数据点就会离开地幔系列向右呈水平方向移动。 2）判断地壳物质的混染作用 众所周知，与地幔物质相比，地壳物质具有较高的Rb/Sr比值和较低的Sm/Nd比值。因此，当地幔来源岩浆与地壳物质发生混染时，所形成岩石的钕、锶同位素组成就偏离地幔系列而向地壳区域(