放射性同位素UPb

放射性同位素UPb第1页，共74页，2023年，2月20日，星期五U、Th是锕系元素，第2页，共74页，2023年，2月20日，星期五U、Th在自然界多以四价氧化态出现，其离子半径相近（U4+=0.105nm,Th4+=0.11nm），两者可以相互置换在氧化条件下，U形成可溶于水的铀酰离子（UO22＋）而成为活动性元素Th只呈四价氧化态，且一般不溶于水从而在氧化条件下，U与Th发生分离第3页，共74页，2023年，2月20日，星期五在球粒陨石中的含量U＝0.01ppm，Th＝0.04ppm。在部分熔融和岩浆结晶分异过程中，U、Th浓集于液相并进入富Si产物。因此，花岗岩质火成岩比基性和超基性岩、陆壳岩石比上地幔岩石富集U和Th。第4页，共74页，2023年，2月20日，星期五Pb在地球中分布很广，不仅作为U、Th的放射成因子体出现，而且还形成不含U、Th的独立矿物。Pb在岩石中呈微量元素。在岩浆的产生和分异、热液作用、变质作用和风化作用等过程中，U/Pb和Th/Pb比值会发生改变。第5页，共74页，2023年，2月20日，星期五11.2、U、Th衰变系列U有三个天然存在的同位素（均为放射性的），其丰度和衰变常数分别为:第6页，共74页，2023年，2月20日，星期五Th有6个天然存在的放射性同位素：其中232Th的丰度接近100%，衰变常数232=4.947510-11其它5个Th的同位素是U、Th衰变系列的短寿命放射性中间子体第7页，共74页，2023年，2月20日，星期五母体238U、235U、232Th经过系列衰变最终分别转变为稳定的子体206Pb、207Pb、208PbPb有4个天然存在的同位素，即除了以上三个放射成因的同位素以外，还有一个非放射成因的稳定同位素204Pb第8页，共74页，2023年，2月20日，星期五第9页，共74页，2023年，2月20日，星期五第10页，共74页，2023年，2月20日，星期五第11页，共74页，2023年，2月20日，星期五由于238U、235U、232Th的半衰期比它们的子体的半衰期长得多，即其衰变常数比子体的衰变常数小得多，符合建立长期平衡的条件（见“衰变定律”一节）经过数百万年以上的地质时代，并且矿物保持封闭体系，就能达到长期平衡状态:N11=N22=N33＝…Nnn，即最终稳定子体的产率等于源头母体的衰变率，中间子体衰变过程可以忽略。第12页，共74页，2023年，2月20日，星期五因此，可将206Pb、207Pb、208Pb视为238U、235U、232Th的直接衰变产物来对待：第13页，共74页，2023年，2月20日，星期五U-Pb等时线第14页，共74页，2023年，2月20日，星期五方程两边除于非放射成因的稳定同位素204Pb，得到：第15页，共74页，2023年，2月20日，星期五原则上，与Rb-Sr体系相似，上述方程可以用来构筑等时线图并用于对岩石定年U-Pb和Th-Pb等时线的前提也与Rb-Sr体系相似第16页，共74页，2023年，2月20日，星期五对U-Pb体系而言，还必须假定不存在235U裂变链，这种情况在自然界很少发生，但在中非加蓬共和国的奥克咯(Oklo)铀矿床的天然反应堆里出现。如果所分析样品符合这些前提，则238U-206Pb、235U-207Pb、232Th-208Pb体系应该给出一致的年龄。第17页，共74页，2023年，2月20日，星期五广东下庄仙石铀矿床沥青铀矿U-Pb等时线（邓平等，2003）81.2±7.7MaMSWD＝0.58

第18页，共74页，2023年，2月20日，星期五岩石U-Pb等时线比较成功的应用例子是对海洋碳酸盐的定年，用其它方法对碳酸盐定年很困难，但由于碳酸盐中Pb含量很低（约100-500ppb），而U的含量相对较高（50-100ppb），在地质时期皱纹珊瑚能够产生可测量的206Pb变化。第19页，共74页，2023年，2月20日，星期五U-PbisochronforDevoniancoralsfromOntario,Canada.Opensymbols(opensystembehaviorduringrecystallization)wereommittedfromtheregression.AfterSmithandFarquhar,1989.第20页，共74页，2023年，2月20日，星期五在低级变质作用和表生风化作用中，由于Pb、Th特别是U的活动性较大，因此硅酸盐岩石的U-Pb和Th-Pb体系很少保持封闭，例如美国怀何明州的GraniteMountain岩基的全岩Th-Pb分析给出大致的等时线年龄为2.8Ga，但U-Pb等时线图显示U已大量丢失而无法给出年龄结果（RosholtandBartel,1969）。第21页，共74页，2023年，2月20日，星期五第22页，共74页，2023年，2月20日，星期五实际上，U、Th和Pb的活动性，使得U-Pb等时线定年受到很大的限制。然而，由于238U和235U、206Pb和207Pb有一致的地球化学性质，因此有时即使已受扰动的体系也能给出年龄信息。发掘利用这种情况的有三种定年方法：U-Pb锆石法普通Pb法方铅矿模式年龄法第23页，共74页，2023年，2月20日，星期五U-Pb锆石法如果某矿物在形成时含很高的U但不含Pb(锆石接近此条件)，则方程206Pb=206Pbi+238U(el238t-1)207Pb=206Pbi+235U(el235t-1)可简化为： 206Pb=238U(el238t-1)207Pb=235U(el235t-1)第24页，共74页，2023年，2月20日，星期五式中*号代表放射成因铅。206Pb=238U(el238t-1)207Pb=235U(el235t-1)分别移项得：第25页，共74页，2023年，2月20日，星期五测定该矿物的U含量、Pb同位素组成与含量，从这两方程可以求得两个年龄数据。如果这种矿物对U、Pb保持封闭，则这两个年龄数据一致，称为一致年龄。第26页，共74页，2023年，2月20日，星期五方程可以看作一组以t为参数的参数方程，在207Pb*/235U（x轴）－206Pb*/238U（y轴）坐标系中该参数方程组定义出一条曲线——concordia(一致曲线)(Wetherill,1956a)符合上述条件的矿物的一致年龄将位于该曲线上的某一点。第27页，共74页，2023年，2月20日，星期五图9-5U-Pb谐和图。显示了一致曲线和Pb丢失产生的不一致曲线第28页，共74页，2023年，2月20日，星期五晶质铀矿和独居石是最早被用来定年的矿物，但其有限的分布限制了它们的应用。锆石在中-酸岩中是一个广泛分布的富铀矿物，因此被广泛地应用于U-Pb定年。基性岩中的斜锆石也被用来定年（Kroghetal.,1987）。第29页，共74页，2023年，2月20日，星期五锆石形成时进入的其中的初始（普通）Pb在年龄计算中需要扣除，方法如下：测定矿物中204Pb的量，结合全岩206Pb/204Pb、207Pb/204Pb比值，来估算进入锆石的初始206Pb、207Pb的量，并从锆石测定的206Pb、207Pb总量中扣除，从而获得放射成因铅（即206Pb*、

207Pb*）。第30页，共74页，2023年，2月20日，星期五对于普通Pb含量很低的锆石，只要知道大致的年龄，从一般的地球Pb演化模式（如StaceyandKramers,1975提出的模式）获得206Pb/204Pb、207Pb/204Pb比值，来估算普通Pb并进行扣除即可，无须通过分析全岩样品的Pb同位素组成来进行普通Pb扣除。第31页，共74页，2023年，2月20日，星期五锆石Pb丢失模式早期对富U矿物的定年工作很快发现，大多数样品给出不一致的207Pb/235U、206Pb/238U年龄。其原因被归结为Pb的丢失（Holmes,1954）。此后，许多U-Pb定年工作致力于研究Pb丢失的机理以及对遭受Pb丢失样品的精确定年。第32页，共74页，2023年，2月20日，星期五Ahrens（1955）发现采自津巴布韦的晶质铀矿和独居石给出不一致的年龄，但在谐和图上投点沿一直线分布（图6-5），这样的直线后来被称为不一致线（discordia）。Ahrens当时认为Pb的丢失是Pb持续扩散造成的。第33页，共74页，2023年，2月20日，星期五Wetherill(1956)对图6-5的数据进行了另一种解释，现称之为Pb幕式丢失模式。认为不一致线与一致曲线的上交点代表矿物形成年龄，同时还认为下交点也有年龄意义，代表了引起Pb丢失的热事件的年龄。下交点年龄500Ma与作为热事件证据的锂云母Rb-Sr、K-Ar年龄相吻合。第34页，共74页，2023年，2月20日，星期五Tilton(1960)对采自五个大陆的太古代地盾区的富U矿物的分析显示，其下交点都在600Ma。但是，缺乏600Ma时发生热事件的地质证据。因此他又提出了Pb持续扩散丢失模式。第35页，共74页，2023年，2月20日，星期五GoldrichandMudrey(1972)认为富U矿物中辐射损伤产生显微毛细管网，并为流体所充满，Pb扩散到这些毛细流体中。当基底岩石抬升时，引起矿物膨胀，毛细流体被排出，导致Pb丢失，即所谓膨胀模式。采自北美的矿物下交点年龄与基底抬升时间相吻合，支持这一模式。第36页，共74页，2023年，2月20日，星期五此外，还有其它的模式（Kober,1987）。实际上，蚀变锆石Pb丢失的确切机理在不同环境中可能是不同的。因此下交点年龄只有在有其它地质证据支持的情况下，才可被赋予年龄意义。上交点年龄作为锆石形成年龄的解释则是确定的。第37页，共74页，2023年，2月20日，星期五如果锆石数据投影点离上交点较远，则误差较大。为了获得较好的上交点精度，Krogh(1982)认为应在进行同位素分析之前，去除锆石中Pb丢失严重的部分：方法一：用高通量磁铁进行分选，选出变生最弱的矿物颗粒。方法二：在一个风力磨具中磨掉矿物的外层部分，该部分往往最富U，因而变生也最严重，样品经这样处理后，分析数据的一致性大为提高。因此，后一种方法已成为“传统”锆石定年的标准程序。第38页，共74页，2023年，2月20日，星期五传统的锆石定年方法需要将许多颗（至少几颗）锆石一起溶解进行分析，这就有可能误把不同时期不同成因的锆石混在一起，这样所获得的年龄是一个没有确切地质含义的混合年龄（Rogersetal.,1989）。第39页，共74页，2023年，2月20日，星期五与传统锆石定年方法相比，离子探针质谱（SIMS）分析（Froudeetal.,1983），能够从一颗锆石上获得一个甚至多个年龄数据，从而可以探测可能存在的锆石结晶核和后期生长部分的不同年龄信息。SIMS方法通过分析Pb同位素比值和U/Pb比值来定年，其数据处理方法与传统方法基本相同。第40页，共74页，2023年，2月20日，星期五激光探针-等离子质谱（LP-ICPMS）法通过分析单颗粒锆石的207Pb/206Pb比值获得年龄（Fengetal.,1993），其速度较快，束斑较大，精度相对较差，在研究沉积物源区方面尤其有用，而传统方法和SIMS方法的工作量太大。第41页，共74页，2023年，2月20日，星期五锆石207Pb/206Pb年龄对显生宙岩石进行U-Pb定年发现，独居石和锆石投点都在一致曲线附近，不能构成很好的不一致直线，这种情况下，只好假定Pb的丢失是近期发生的，即强令不一致线通过坐标原点。第42页，共74页，2023年，2月20日，星期五从该不一致线斜率的倒数可以求得207Pb/206Pb年龄，即为该直线（通过原点）的斜率，其倒数为：因为方程除于(y)(x)×137.88第43页，共74页，2023年，2月20日，星期五该方程同时表示，假定所分析矿物中的Pb都是放射成因的，则从单个测定比值207Pb/206Pb即可求得一个年龄值。×137.88第44页，共74页，2023年，2月20日，星期五普通（全岩）Pb-Pb法重新列出以前方程以下：让我们考虑一组具有相同年龄和相同初始Pb同位素比值并保持封闭的样品，由于它们的U/Pb比值不同，其Pb同位素按上述方程演化至今而具有不同的比值。第45页，共74页，2023年，2月20日，星期五实际上，对符合上述条件的一组样品来说，由于t、(206Pb/204Pb)i和(207Pb/204Pb)i为常数，上述两方程在206Pb/204Pb(x轴)－207Pb/204Pb（y轴)坐标系中，是一组以U/Pb为参数的直线参数方程（其中235U/238U≡1/137.88，太阳系所有物质均为此常数）。直线的斜率恰好为上述两方程的商：=b第46页，共74页，2023年，2月20日，星期五因此，我们只要测定这样一组样品的206Pb/204Pb和

207Pb/204Pb比值，在该坐标系中投影并拟合出直线和其斜率(b)，就可以根据上式用迭代法求出年龄t。而无须测定样品中U、Pb的含量。该方法与U-Pb等时线法具有相同的前提，其优点在于：(1)无须测定样品中U、Pb的含量，(2)接近现代发生的U丢失事件（如近期风化淋漓）对该方法不造成严重影响（RosholtandBartel,1969）。第47页，共74页，2023年，2月20日，星期五Patterson(1956)首次用该方法获得了3个石陨石和2个铁陨石的年龄为4.55±0.07Ga。其中放射成因Pb最低的样品是CanyonDiablo铁陨石中的FeS，其U/Pb比值很低（0.025），可以认为其形成至今，由U衰变产生的Pb对其初始Pb同位素组成的影响甚微。故代表了太阳系的原始Pb同位素组成。此值是地球Pb同位素演化的基准。第48页，共74页，2023年，2月20日，星期五普通（全岩）Pb-Pb法定年实例第49页，共74页，2023年，2月20日，星期五GraniteMountain岩基的全岩Pb-Pb等时线年龄为2.8Ga,Th-Pb也给出大致年龄2.8Ga，（RosholtandBartel,1969）第50页，共74页，2023年，2月20日，星期五瓮安陡山沱磷块岩Pb-Pb等时线（Chenetal.,2004第51页，共74页，2023年，2月20日，星期五Pb-PbDatingblackshale.Gauthier-Lafayeetal.,1996第52页，共74页，2023年，2月20日，星期五double-spikePb–Pbdatingofcarbonaterocks:examplesfromNeoproterozoicsequencesinsouthernAfricaFollingetal.,2000ChemGeol第53页，共74页，2023年，2月20日，星期五模式（方铅矿）年龄如上所述，不同的Pb同位素定年方法，以不同的方式处理U的活动性问题。在U-Pb锆石定年中，选择一个对U保持很好的矿物，而该矿物对Pb的丢失可以进行模式化并进行年龄计算。在普通Pb-Pb定年中，只要体系的大部分时间是封闭的，近期发生的U丢失是可以允许的。第54页，共74页，2023年，2月20日，星期五在下述的模式年龄中，矿物相（方铅矿）不含U，因此就没有U丢失的问题。由于在方铅矿中不存在衰变，因此我们不是直接测定矿物从现在往回推的年龄，而是测定体系自地球形成直到方铅矿形成（即方铅矿从含U体系中分离出来）的这段时间。第55页，共74页，2023年，2月20日，星期五该方法由Holmes(1946)和Houtermans(1946)分别独立提出，故称为Holmes-Houtermans模式或单阶段模式。即把方铅矿的Pb同位素演化分为两段：第一段是从地球形成直到方铅矿结晶，并且期间体系对U、Pb保持封闭；第二段是方铅矿结晶后至今，并且方铅矿必须不含任何Ｕ第56页，共74页，2023年，2月20日，星期五①②①②①－②得：第57页，共74页，2023年，2月20日，星期五式中：235U/204Pb、238U/204Pb不是方铅矿本身、而是方铅矿源区体系的现代U/Pb同位素比值；同理得：第58页，共74页，2023年，2月20日，星期五N＝Nie－t,D*＝Ni

(1－e－t)或D*＝N(et－1)D*＝Ni－N,D＝Di+D*根据下面的基本公式，用另外两种不同的推导方法同样也能得到上页公式。第59页，共74页，2023年，2月20日，星期五现今235U/238U=1/137.88；方铅矿中因无U，故(207Pb/204Pb)t和(206Pb/204Pb)t即与现今比值相同第60页，共74页，2023年，2月20日，星期五T时（4.57Ga）的Pb同位素组成，是指太阳系星云Pb同位素组成或地球原始Pb同位素组成，可以用CanyonDiablo陨硫铁（CD）代表：206Pb/204Pb=9.307，207Pb/204Pb=10.294，208Pb/204Pb=29.476（Tatsumotoetal.,1974）。第61页，共74页，2023年，2月20日，星期五对于来自同一源区（U/Pb相同）、不同时代（t不同）形成的方铅矿，方程组成以t为参数的参数方程组，在206Pb/204Pb（x）－207Pb/204Pb（y）坐标系中为一曲线（图），称为增长曲线，即方铅矿源区体系Pb同位素演化曲线。第62页，共74页，2023年，2月20日，星期五图6-6Pb-Pb增长曲线图。显示某方铅矿现今的Pb同位素成分是在3000Ma前从整体地球储库中分离出来的m1m2第63页，共74页，2023年，2月20日，星期五对于来自不同源区（U/Pb不同）、同时形成（t相同）的方铅矿，上述两方程组成以U/Pb为参数的参数方程组，在206Pb/204Pb（x）－207Pb/204Pb（y）坐标系中为一通过CD点的直线（图），m1m2第64页，共74页，2023年，2月20日，星期五m1m2第65页，共74页，2023年，2月20日，星期五也称为“等时线”，其斜率可用以下方程相除得到：第66页，共74页，2023年，2月20日，星期五一个矿区的方铅矿的Pb同位素往往并不构成线性分布，方铅矿模式年龄不是通过拟合直线获得斜率代入该方程求t，而是将测定的方铅矿Pb同位素组成直接代入该方程求得