地球花學(xué)第六章

1、地球化學(xué)課程第六章 同位素地球化學(xué),引 言,一、同位素地球化學(xué)的學(xué)科性質(zhì) 同位素地球化學(xué)是研究地球和宇宙體中核素的形成、豐度以及在自然作用過程中分鎦和衰變規(guī)律的科學(xué)。它是地球化學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。,同位素是指同一元素原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一類原子，它們?cè)谠刂芷谥姓紦?jù)同一個(gè)位置。 例如，硫有4個(gè)同位素，它們分別為1632S、1633S、1634S和1635S，這4個(gè)同位素都有16個(gè)質(zhì)子，因而它們都位于元素周期表第三

2、周期第ⅥA族。一個(gè)元素可以由一種或幾種同位素組成。 同位素地球化學(xué)是研究同一元素具有2個(gè)或2個(gè)以上組成的核素。,自然界存在兩類同位素：一類是放射性同位素，它們能夠自發(fā)地衰變形成其它同位素，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的放射成因同位素；另一類是穩(wěn)定同位素，它們不自發(fā)地衰變形成其它同位素或由于衰變期長(zhǎng)其同位素豐度變化可忽略不計(jì)。,在地球化學(xué)系統(tǒng)中，天然放射性同位素豐度的變異記載著地質(zhì)作用的時(shí)間，同時(shí)它們又是地質(zhì)過程有效的示蹤劑，而對(duì)于穩(wěn)定同位素

3、豐度的變異或分鎦除了示蹤地質(zhì)過程外，還可指示地質(zhì)過程中的物理化學(xué)條件等。因此，同位素地球化學(xué)在研究地球或宇宙體的成因與演化，主要包括地質(zhì)時(shí)鐘、地球熱源、殼幔相互作用及殼幔演化、成巖成礦作用、構(gòu)造作用及古氣候和古環(huán)境記錄等方面提供了重要有價(jià)值的信息，為地球科學(xué)從定性到定量的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。,基本任務(wù)1、研究自然界同位素的起源、演化和衰亡歷史；2、同位素地質(zhì)計(jì)時(shí)，為地球和太陽系的演化確定時(shí)間坐標(biāo)；3、研究同位素在宇宙、地球和地球各

4、圈層中的分布、分配，不同地質(zhì)體中的豐度及其在地質(zhì)過程中的活動(dòng)、富集與虧損、衰亡與增長(zhǎng)的規(guī)律，闡明同位素組成變異的原因，據(jù)此來探討地質(zhì)作用的演化及物質(zhì)來源。,研究領(lǐng)域, 包括有兩個(gè)方面： 1、同位素地質(zhì)年代學(xué) 同位素地質(zhì)年代學(xué)是根據(jù)放射性同位素隨時(shí)間變化的規(guī)律，測(cè)定地質(zhì)體的年齡與活動(dòng)歷史；另外，放射性同位素的示蹤，可用來研究地殼、地幔和其他星體的成因與演化；,2、穩(wěn)定同位素地球化學(xué) 穩(wěn)定同位素地球化學(xué)是研究地質(zhì)體中穩(wěn)定同位

5、素的分布及其在各種條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律來解釋巖石和礦石的形成過程、物質(zhì)來源及成因等問題。,二、同位素地球化學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀,同位素地球化學(xué)發(fā)展迅速，已滲透到地球科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，如：大地構(gòu)造學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)、海洋學(xué)、環(huán)境科學(xué)、空間科學(xué)等。,我國同位素地球化學(xué)的研究工作從1958年開始, 目前擁有的研究人員和質(zhì)譜屬世界第一。學(xué)術(shù)團(tuán)體：1、中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)—同位素地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)2、中國地質(zhì)學(xué)會(huì)—同位素地球化學(xué)

6、專業(yè)委員會(huì),三、同位素分析的實(shí)驗(yàn)技術(shù)簡(jiǎn)介,1、樣品準(zhǔn)備2、化學(xué)分離3、儀器測(cè)定（質(zhì)譜儀）,§1 放射性同位素衰變反應(yīng)和衰變定律一、 放射性同位素衰變反應(yīng) 在自然界，放射性同位素大約有64種，它們大多數(shù)的質(zhì)量數(shù)大于210。這些放射性同位素不斷自發(fā)地發(fā)射出質(zhì)點(diǎn)和能量，改變同位素組成并轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的核素，這種過程稱核衰變反應(yīng)或蛻變。衰變反應(yīng)是引起放射性同位素豐度變化的主要原因，天然放射性同位素的衰變反應(yīng)種類如下：,1 β-

7、衰變 原子核中一個(gè)中子分裂為一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子（β質(zhì)點(diǎn)），β質(zhì)點(diǎn)被射出核外，反應(yīng)通式為：AZM→AZ+1M+β，其中Z為核電荷數(shù)，A為質(zhì)量數(shù)。衰變結(jié)果，核內(nèi)減少一個(gè)中子，增加一個(gè)質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)增加1，變?yōu)橹芷诒碛覀?cè)的相鄰元素。如：8737Rb→8738Sr+β、 4019K→4020Ca+β，其中8737Rb與8738Sr、4019K與4020Ca稱為同量異位素。,2 電子捕獲 它是β-衰變的逆反應(yīng)（并非可逆

8、反應(yīng)），是原子核自發(fā)地從K或L層電子軌道上吸取一個(gè)電子（多數(shù)為K層捕獲），與一個(gè)質(zhì)子結(jié)合變成一個(gè)中子，反應(yīng)通式為：AZM+e→AZ-1M，衰變結(jié)果，質(zhì)量數(shù)不變，核電荷數(shù)減1，變?yōu)橹芷诒碜筻徳?。如?019K+e→4018Ar。,3 α-衰變 重核放射出由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的α質(zhì)點(diǎn)（即He核），衰變反應(yīng)為：AZM+e→A-4Z-2M+α，衰變結(jié)果，質(zhì)量數(shù)減4，核電荷數(shù)減2，在元素周期表上向左移動(dòng)2格。如：22688Ra→222

9、86Rn+42He。,4 重核裂變 重同位素自發(fā)地分裂為2-3片原子量大致相同的碎片。如：238U、235U和232Th等重核都可能發(fā)生這種裂變。 在自然界中，有些放射性同位素只通過一次某一種固定形式的衰變過程就轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N穩(wěn)定同位素，從而停止了放射性衰變，如8737Rb→8738Sr+β，而其它一些放射性同位素，如238U、235U和232Th等原子核要通過一系列的α衰變和β衰變，形成許多中間過渡的放射性同位素，最終才轉(zhuǎn)化

10、為鉛同位素，從而結(jié)束了其放射性衰變過程。,二、衰變定律 1902年Rutherford通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)放射性同位素衰變反應(yīng)不同一般的化學(xué)反應(yīng)，具有如下性質(zhì)： (1)衰變作用是發(fā)生在原子核內(nèi)部的反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)果由一種核素變成另一種核素； (2)衰變自發(fā)地不斷地進(jìn)行，并有恒定的衰變比例； (3)衰變反應(yīng)不受溫度、壓力、電磁場(chǎng)和原子核存在形式等物理化學(xué)條件的影響； (4)衰變前和衰變后核數(shù)的原子數(shù)只是時(shí)間的函數(shù)。通常

11、我們把衰變前的核素稱為母體（母核），而衰變后新形成的核素稱為子體（子核）。,根據(jù)放射性同位素以上特性，放射性同位素衰變定律為單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子數(shù)與現(xiàn)存放射性母體的原子數(shù)成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下： -dN/dt=λN 式中：N為在t時(shí)刻存在的母體原子數(shù)；dN/dt為t時(shí)的衰變速率，負(fù)號(hào)表示N隨時(shí)間減少；λ為衰變速率常數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子的比例數(shù)，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，其單位為1/年或1/秒。 將上式

12、由t=0到t求積分，整理后得： ln(N/N0)=- λt N0為t=0時(shí)的衰變母體原子數(shù)。由此得： N=N0e-λt 或N0 =Neλt 以上為放射性同位素衰變的基本公式，表明母核原子數(shù)為N0的放射性同位素，經(jīng)時(shí)間t后殘存的母體原子數(shù)N= N0e-λt，N與t為指數(shù)函數(shù)。,設(shè)衰變產(chǎn)物子體的原子數(shù)為D*，當(dāng)t=0時(shí)，D*=0，經(jīng)時(shí)間t的衰變反應(yīng)，則：D*=N0-N

13、 D*=N0（1- e-λt）或 D*=N(eλt-1)例如對(duì)于衰變反應(yīng)87Rb→87Sr+β,87Rb為母體,87Sr為子體，則：87Sr= 87Rb(eλt-1)對(duì)于任一放射性同位素體系，放射性核素衰變掉初始原子數(shù)的一半所需的時(shí)間稱為半衰期，以T1/2表示。根據(jù)定義，當(dāng)t=T1/2時(shí), N=1/2N0，代入D*=N(eλt-1)并整理得：T1/2=ln2/λ由此

14、可見，T1/2與λ呈反比關(guān)系，衰變常數(shù)λ值愈小，半衰期愈長(zhǎng)，核的壽命也愈長(zhǎng)。,放射性母體核素N和子體核素D*隨時(shí)間t變化的曲線,時(shí)間（以半衰期為單位）,D*=N0（1- e-λt）,N=N0e-λt,D0=0,N0,N or D*,衰變常數(shù)一覽表,§2 同位素定年方法1、K-Ar法 鉀有三種同位素組成，39K，40K和41K。它們的相對(duì)豐度為：39K=93.2581%，40K=0.01167%，41K=6.73021%

15、。其中40K是放射性同位素，通過β和電子捕獲二種衰變方式，前者占40K總衰變的88%, 后者占12%，其衰變反應(yīng)如下： 40K+ e→40Ar，記衰變常數(shù)為λe；40K→40Ca+β，記衰變常數(shù)為λβ。 因此40K的總衰變常數(shù)λ=λe+λβ。,根據(jù)放射性同位素衰變定律，在鉀、鈣、氬的封閉體系中，可用下式表達(dá)：40Ar+40Ca=40K(eλt-1) 其中40Ar占總衰變量為λe/λ，因此有：40Ar=(λ

16、e/λ)40K(eλt-1) 式中：t是由40K衰變成40Ar所積累的時(shí)間，氬同位素廣泛存在于空氣和各種巖石礦物中，為了把由40K衰變而成的40Ar與其它的40Ar相區(qū)別，我們用40Ar*來表示，上式改為：40Ar*=(λe/λ)40K(eλt-1) t=1/λln[(λe/λ)( 40Ar/40K)+1] 上式是K-Ar法年齡計(jì)算的基本公式。在實(shí)際應(yīng)用中，把樣品分成兩份，一份樣品通過同位素稀釋法計(jì)算或通過測(cè)定K含量計(jì)算4

17、0K；另一份樣品確定40Ar，早期采用體積法計(jì)算獲得40Ar，然而其準(zhǔn)確度不高，目前主要采用同位素稀釋法計(jì)算獲得40Ar。,要確保K-Ar法獲得年齡的可靠性，除了正確地測(cè)定衰變常數(shù)外，還必須樣品對(duì)于鉀和氬是封閉體系，在巖石或礦物形成后沒有發(fā)生過鉀或氬的帶入和帶出。但鉀活潑的堿金屬元素，氬一般呈氣態(tài)，容易發(fā)生擴(kuò)散，它們受熱事件作用較為敏感，在巖石或礦物形成后所經(jīng)歷的地質(zhì)作用（如區(qū)域變質(zhì)、接觸變質(zhì)、熱液活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等）中有可能發(fā)生遷移，使

18、得K-Ar年齡偏低，或者代表最后一次熱事件的年齡，因此，在K-Ar法年齡解釋中，必須注意熱事件的影響。另一方面，樣品中混入大氣氬或過剩氬的存在，使得年齡偏老，從而必須對(duì)混入的大氣氬的校正或過剩氬的檢查。,鉀是常量元素，可進(jìn)行K-Ar分析的礦物相當(dāng)多，這是K-Ar應(yīng)用的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但考慮到巖石或礦物對(duì)氬的保存性，并不是所有的巖石或含鉀礦物用作K-Ar法年齡測(cè)定的對(duì)象。一般認(rèn)為，角閃石、黑云母、白云母、高溫堿長(zhǎng)石等是K-Ar法年齡測(cè)定的理想礦

19、物，新鮮的粗面巖、玄武巖、輝綠巖等也可給出地質(zhì)意義的年齡，沉積地層中的海綠石和伊利石，作為沉積過程中形成的自生礦物，在研究沉積地層的年齡中受到重視。,2、 40Ar-39Ar法 上世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來的40Ar-39Ar法（又稱快中子法），是通過用快中子照射礦物或巖石樣品，使其中的39K通過核反應(yīng)轉(zhuǎn)化成39Ar為基礎(chǔ)。1939K（n, p) 1839Ar T1/2=126 y39Ar=39K

20、 ΔT∫φ(ε)σ(ε)dε 式中： ΔT輻照時(shí)間 φ(ε)能量為ε 的中子流密度 σ(ε)能量為ε 的中子流捕獲面積 ε能量,,39Ar=39K ΔT∫φ(ε)σ(ε)dε…………（1）根據(jù)K-Ar 定年公式：40Ar*=(λe/λ)40K(eλt-1) …………………（2）（2）/（1）并整理得：40Ar*/39Ar=(eλt-1) /J其中：J =（

21、λ/λe）(39K/40Ar) ΔT∫φ(ε)σ(ε)dεt=1/λln[(J( 40Ar*/39Ar)+1] 式中：40Ar*/39Ar 由質(zhì)譜測(cè)定，J為每次快中子照射樣品的參數(shù)，無量綱，可由每次照射的標(biāo)準(zhǔn)樣品（年齡已知）的（40Ar*/39Ar)s標(biāo)定：J=( 40Ar*/39Ar)s(eλt-1) 上式中的s代表標(biāo)準(zhǔn)樣品，這樣就可以計(jì)算樣品的年齡。,用上述方法所得到的年齡稱為“全部Ar釋放年齡”，這些年齡與常規(guī)的K-A

22、r年齡受到同樣的局限性，因?yàn)樗鼈兌既Q于以下假設(shè)，即放射成因40Ar沒有從樣品中逃脫過，也沒有過剩40Ar的存在。然而，該方法避開了鉀的氬在樣品中的不均一分布問題，因?yàn)橹恍枰环輼悠窚y(cè)定即可，而且只需求氬的同位素比值。 在實(shí)際應(yīng)用中，還需要（1）對(duì)空氣氬進(jìn)行校正；（2）干擾元素的校正。,Ar-Ar法分步加熱技術(shù) 分步加熱技術(shù)是指根據(jù)不同礦物中氬的析出特性，選擇若干溫度段，把各溫度區(qū)間所萃取的Ar分別進(jìn)行Ar同位素分析得到相應(yīng)

23、的階段年齡，各階段析出的氬量和同位素豐度以及各分階段的年齡可能不盡相同。因此，可以顯示比常規(guī)K-Ar，Ar-Ar法更多的信息。經(jīng)歷熱事件的樣品的年齡譜可在低溫階段出現(xiàn)低齡，在高溫區(qū)出現(xiàn)高年齡，接近于樣品的形成年齡。,激光顯微探針Ar-Ar法定年簡(jiǎn)介,,,J,40Ar-39Ar 定年優(yōu)點(diǎn)：（1）精度高；（2）克服樣品的不均一性；（3）信息多，可討論巖石的熱歷史或變質(zhì)史；（4）測(cè)定礦物普遍。40Ar-39Ar 定年缺點(diǎn)：（1）過

24、剩問題；（2）成本高。,3、 Rb-Sr 法定年及Sr同位素地球化學(xué)1） Rb-Sr 法定年 Rb有2種同位素：85Rb(72.15%)為穩(wěn)定同位素，87Rb(27.85%)為放射性同位素。Sr有4種同位素：84Sr(0.56%)、86Sr(9.86%)、87Sr(7.02%)和88Sr(82.56%) ，它們均為穩(wěn)定同位素，其中87Sr為放射成因同位素，由87 Rb經(jīng)β衰變而成，反應(yīng)如下：

25、 87Rb→87Sr+β 根據(jù)衰變定律有： 87Sr=87Rb(eλt-1) 考慮到在所研究的地質(zhì)樣品中，可能含有初始87Sr,記作(87Sr)0，上式改寫為： 87Sr=(87Sr)0+87Rb(eλt-1) 將上式兩端除以非放射成因的86Sr原子數(shù)，得： 87Sr/86Sr =(87Sr/86Sr

26、)0+87Rb/86Sr (eλt-1),含鉀礦物是Rb-Sr法定年的主要對(duì)象，如果礦物中樣品(87Sr/86Sr)0為0或(87Sr/86Sr)0相對(duì)于87Sr/86Sr來說可忽略不計(jì)，則可直接計(jì)算礦物的年齡，如鉀長(zhǎng)石、白云母、鋰云母、天河石、銫榴石、海綠石、鉀鹽、光鹵石等。而對(duì)于不可忽視的(87Sr/86Sr)0樣品來說，如巖石樣品中一般都包含有一定數(shù)量的(87Sr/86Sr)0，則必須考慮(87Sr/86Sr)0對(duì)測(cè)定年齡的影響。

27、,利用一組全巖樣品的Rb-Sr等時(shí)線法不僅可以研究樣品的年齡，還可以研究樣品的(87Sr/86Sr)0比值，后者是一個(gè)重要的地球化學(xué)參數(shù)。 87Sr/86Sr =(87Sr/86Sr)0+87Rb/86Sr (eλt-1) y=ax+b 式中：y=87Sr/86Sr ，x=87Rb/86Sr， a= eλt-1， b =(87Sr/86Sr)0 上式是x和y的一次線性方程

28、，直線的斜率為a，截距為b。通過一組樣品實(shí)測(cè)的現(xiàn)今87Sr/86Sr比值和87Rb/86Sr比值，可將該直線進(jìn)行計(jì)算擬合，求解a和b ，由于a=eλt-1，因此,可以計(jì)算出等時(shí)線的年齡t： t=1/λln(1+a),時(shí)間增長(zhǎng) (t1?t2)，每個(gè)樣品繼續(xù)失去87Rb得到等量的 87Sr，全部樣品仍然處于一條直線上，但是斜率更大,要正確獲得樣品的形成年齡必須滿足以下條件：（1）所研究的一組樣品具有同時(shí)性和同源性，所謂同源性是

29、指每一個(gè)樣品具有相同的(87Sr/86Sr)0比值。（2）在樣品形成后，保持Rb的Sr封閉體系，沒有與外界發(fā)生物質(zhì)上的交換。（3）所測(cè)樣品中，有較為明顯的Rb/Sr比值差異，以確保獲得一條較好的等時(shí)線。,在等時(shí)線的擬合中，早期采用最小二乘法或圖解法，但這些方法難以對(duì)等時(shí)線的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前一般采用York 方程進(jìn)行雙回歸誤差分析擬合求解擬合直線的斜率和截距，同時(shí)給予出一個(gè)等時(shí)線擬合參數(shù)MSWD。MSWD值是評(píng)價(jià)等時(shí)線質(zhì)量的一個(gè)重要

30、參數(shù)，該值越小，等時(shí)線質(zhì)量越好。當(dāng)存在地球化學(xué)誤差時(shí)，MSWD>1；當(dāng)不存在地球化學(xué)誤差時(shí)，MSWD≤1。,由于某些地質(zhì)體同位素組成的均一性，各全巖樣品中Rb/Sr比值差異不大，因而難以獲得等時(shí)線。在這種情況下，可利用全巖+礦物等時(shí)線法獲得年齡信息，但等時(shí)線中的所選礦物必須來自同一全巖樣品。這種等時(shí)線稱內(nèi)部等時(shí)線，在一般性況下，所得年齡低于全巖Rb-Sr等時(shí)年齡，代表巖石中礦物的平均結(jié)晶年齡。,Rb-Sr全巖等時(shí)線法主要適用于基性

31、、中性和中酸性巖漿巖形成年齡的測(cè)定。對(duì)于變質(zhì)巖，由于受變質(zhì)作用的影響，使得對(duì)變質(zhì)巖原巖的Rb-Sr 同位素系統(tǒng)進(jìn)行改造，因此，等時(shí)年齡往往不能提供原巖形成年齡的信息，而往往代表變質(zhì)事件的年齡或無意義的年齡信息。Rb-Sr全巖等時(shí)線法很少用于沉積巖的年齡測(cè)定。,2） Sr同位素地球化學(xué) 地球化學(xué)系統(tǒng)中初始(87Sr/86Sr)0比值是一個(gè)重要的地球化學(xué)示蹤參數(shù)，該值代表物質(zhì)形成時(shí)的87Sr/86Sr比值，不同的地球化學(xué)儲(chǔ)存庫，它們

32、的(87Sr/86Sr)0值是不同的。因此，(87Sr/86Sr)0比值對(duì)示蹤物質(zhì)來源，殼幔物質(zhì)演化及殼幔相互作用等方面具有重要意義。,通過全巖Rb-Sr等時(shí)線法可獲得巖石形成時(shí)(87Sr/86Sr)0，對(duì)于單個(gè)樣品，若年齡t已知，實(shí)測(cè)該樣品的87Sr/86Sr 和87Rb/86Sr比值，下式計(jì)算(87Sr/86Sr)0比值：(87Sr/86Sr)0 =87Sr/86Sr -87Rb/86Sr (eλt-1),研究地球物質(zhì)的(87Sr

33、/86Sr)0演化，必須了解地球形成時(shí)的(87Sr/86Sr)0。然而，由于難于獲得地球形成時(shí)的巖石樣品，當(dāng)然也就無法直接了解地球形成時(shí)的鍶同位素初始比值。由于地球和隕石是在大致相同的時(shí)間內(nèi)由太陽星云的凝聚相通過重力凝聚作用形成的，所以在地球科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，人們通常借助于研究隕石來確定地球的(87Sr/86Sr)0比值。目前公認(rèn)的玄武質(zhì)無球粒隕石的(87Sr/86Sr)0比值為0.69897±0.00003(Faure,1977)

34、代表地球形成時(shí)的初始比值，以BABI表示。,為了確定地殼和地幔兩大體系的(87Sr/86Sr)0比值特征及其演化規(guī)律，對(duì)確認(rèn)起源于上地幔源區(qū)的現(xiàn)代玄武巖等巖石的87Sr/86Sr進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)它們的87Sr/86Sr值變化于0.702~0.706之間，其平均值為0.704，Rb/Sr=0.027。對(duì)于大陸硅鋁質(zhì)巖石，一般認(rèn)為在25億年前，由地幔物質(zhì)派生，其Rb/Sr=0.15，而現(xiàn)今大陸殼的(87Sr/86Sr)0的平均為0.719

35、,Rb/Sr=0.15,根據(jù)地幔巖石或其派生的火山巖的(87Sr/86Sr)0比值研究，為地幔不均一性的研究提供了重要例證，不同區(qū)域內(nèi)的玄武巖在鍶同位素組成上具有明顯的不均一性。例如， (87Sr/86Sr)0的平均值，洋中脊玄武巖為0.70280, 海島玄武巖為0.70386，島弧玄武巖為0.70437，大陸玄武巖為0.70577。對(duì)這種不均一性的原因存在多種解釋。,(87Sr/86Sr)0比值除了研究成巖和成礦物質(zhì)來源外，還可用來劃

36、分巖石的成因類型。如花崗巖的成因類型可劃分為S型和I型花崗巖，S型花崗巖的(87Sr/86Sr)0大于0.706，而I型花崗巖的(87Sr/86Sr)0小于0.706。,4、 Sm-Nd法定年及Nd同位素地球化學(xué)1） Sm-Nd法定年 自然界中，Sm有七種同位素，它們是：144Sm(3.10%)、147Sm(15.10%)、148Sm(11.30%)、149Sm(13.90%)、150Sm(7.40%)、152Sm(26.60%

37、)和154Sm(22.60%)、，其中147Sm、148Sm和149Sm 是放射性同位素；Nd也有七種同位素，它們是：142Nd(27.16%)、143Nd(12.18%)、144Nd(23.80%)、145Nd(8.29%)、146Nd(17.10%)、148Nd(575%)和150Nd(5.63%)，其中144Nd和145Nd是放射性同位素，但它們具有非常大的半衰期(分別為2×1015年和大于是1×1017年),

38、因此可視為穩(wěn)定同位素。,Sm-Nd法定年是基于147Sm的α衰變反應(yīng)：147Sm →143Nd +α 根據(jù)衰變定律有：143Nd=147 Sm(eλt-1) 將上式兩端同除以穩(wěn)定同位素144Nd，并考慮樣品中初始Nd同位素，則有：143Nd/144Nd=(143Nd/144Nd)0+147Sm/144Nd(eλt-1) 式中：143Nd/144Nd是樣品現(xiàn)今的比值，用質(zhì)譜直接測(cè)定；(143Nd/144Nd)0是樣品的初始比值

39、；147Sm/144Nd是樣品現(xiàn)今的147Sm和144Nd 原子數(shù)比，用同位素稀釋法測(cè)定并計(jì)算獲得，λ是147 Sm 的衰變常數(shù)；t是樣品形成的年齡。,Sm-Nd法定年主要應(yīng)用全巖等時(shí)線法或全巖+礦物等時(shí)線法，其等時(shí)線的構(gòu)筑方法類同于Rb-Sr法。,要獲得可靠的Sm-Nd 等時(shí)年齡，同樣要滿足下列條件：（1）所研究的一組樣品具有同時(shí)性和同源性。（2）在樣品形成后，保持Sm和Nd的封閉體系。（3）所測(cè)樣品中，有較為明顯的Sm/Nd比

40、值差異。,由于Sm和Nd同屬稀土元素，它們的離子半徑、電階、電負(fù)性等地球化學(xué)性質(zhì)十分相似，因而由147Sm經(jīng)α衰變形成的143Nd很自然地繼承了晶格中母體同位素的位置，并且后期地質(zhì)作用很難使Sm和Nd發(fā)生分離和遷移?，F(xiàn)有研究表明，經(jīng)過角閃巖相甚至麻粒巖相變質(zhì)作用的巖石，如果體系中沒有流體參與的話，仍使Sm-Nd同位素系統(tǒng)保持封閉，能正確地給出變質(zhì)巖原巖年齡的信息。這正是Sm-Nd法定年的優(yōu)點(diǎn)所在。另外147Sm的衰變常數(shù)較小，因此Sm-

41、Nd法只適合對(duì)古老巖石的定年。,自然界中，各巖石的Sm/Nd比值變化范圍較?。ㄒ话阕兓?.1-0.5之間），而酸性巖類其Sm/Nd比值變化范圍更小。因此，Sm-Nd全巖等時(shí)線法不宜對(duì)酸性巖進(jìn)行年齡測(cè)定，主要應(yīng)用于對(duì)基性巖、超基性巖等巖類的年齡測(cè)定，而對(duì)于基性和超基性的結(jié)晶巖，往往應(yīng)用全巖+礦物等時(shí)線法進(jìn)行年齡測(cè)定效果更好,2) Sm-Nd同位素模式年齡 假設(shè)未發(fā)生分異作用的原始地幔巖漿庫是一個(gè)具有球粒隕石Sm/Nd比值的均一巖漿

42、庫（CHUR），并假定地殼巖石的Sm/Nd比值變化只發(fā)生在從CHUR源區(qū)分離的時(shí)刻，其后Sm/Nd比值保持不變，則地殼巖石在一個(gè)時(shí)間為t的(143Nd/144Nd)0值就是CHUR源區(qū)在時(shí)間為t的演化值，,對(duì)于球粒隕石：（143Nd/144Nd）CHUR（t）=(143Nd/144Nd)CHUR-(147Sm/144Nd)CHUR (eλt-1) （1）式中：（143Nd/144Nd）CHUR（t）為

43、CHUR在時(shí)間為t時(shí)的比值；(143Nd/144Nd)CHUR 和(147Sm/144Nd)CHUR分別為CHUR的現(xiàn)代值，其中(143Nd/144Nd)CHUR=0.512638，(147Sm/144Nd)CHUR=0.1967。對(duì)于地殼樣品：（143Nd/144Nd）S（t）=(143Nd/144Nd)S-(147Sm/144Nd)S(eλt-1) （2）由于樣品派生于CHUR源區(qū)，因

44、此有： （143Nd/144Nd）S（t）=（143Nd/144Nd）CHUR（t）聯(lián)立(1)式和(2)式，并將t改寫為TCHUR，則：TCHUR=1/λln{1+[(143Nd/144Nd)CHUR- (143Nd/144Nd)S]/[(147Sm/144Nd)CHUR- (147Sm/144Nd)S]} 上式中，TCHUR稱樣品相對(duì)CHUR的Nd同位素模式年齡，代表地殼物質(zhì)從CHUR中分離的時(shí)間或殼幔發(fā)生分異的時(shí)間。,隨著研

45、究的深入，人們發(fā)現(xiàn)隨著地殼從地幔中的分異，地幔發(fā)生虧損，因而用相對(duì)于虧損地幔計(jì)算的Nd同位素模式年齡很合理，通過類似TCHUR的推導(dǎo)，有：TDM=1/λln{1+[(143Nd/144Nd)DM- (143Nd/144Nd)S]/[(147Sm/144Nd)DM-（147Sm/144Nd)S]}

46、 上式中：TDM為樣品相對(duì)于虧損地幔的Nd同位素模式年齡，代表地殼物質(zhì)從虧損地幔中分離的時(shí)代；(143Nd/144Nd)DM和(147Sm/144Nd)DM分別為虧損地幔現(xiàn)今的同位素比值，用大洋中脊玄武巖（MORB）代表，其值一般采用，(143Nd/144Nd)DM=0.51315, (147Sm/144Nd)DM=0.2135。,,若巖漿直接派生于虧損地幔物質(zhì)的部分熔融或分異結(jié)晶，則巖漿的結(jié)晶年齡與TDM相近，若巖漿來自于早

47、期地殼物質(zhì)的再循環(huán)或發(fā)生殼?；旌献饔?，則巖漿的結(jié)晶年齡小于TDM。對(duì)于沉積巖中TDM（主要為細(xì)碎屑巖）一般代表地殼物質(zhì)的存留年齡或區(qū)域地殼的平均形成年齡。如果地殼物質(zhì)在其形成后Sm/Nd比值發(fā)生改變，則需要用二階段或多階段的模型計(jì)算其模式年齡（Liew，1988）。,4） Nd同位素地球化學(xué) Nd 同位素地球化學(xué)示蹤主要基于Nd同位素初始比值(143Nd/ 144Nd)0，該比值通過等時(shí)線法獲得，對(duì)于一個(gè)已知年齡的樣品，通過實(shí)測(cè)

48、該樣品的143Nd/144Nd和147Sm/144Nd比值，就能計(jì)算該樣品的 (143Nd/144Nd)0比值，公式如下： (143Nd/144Nd)0=143Nd/144Nd -147Sm/144Nd(eλt-1),由于在整個(gè)地質(zhì)時(shí)期，143Nd/144Nd比值變化較小，所以一般用εNd表示，其定義如下：εNd(0)=[( 143Nd/144Nd)s/(143Nd/144Nd )CHUR-1]×104

49、 式中εNd(0)代表樣品現(xiàn)今的（143Nd/144Nd）S比值相對(duì)于CHUR現(xiàn)今的(143Nd/144Nd )CHUR比值的偏差值。εNd(t)=[( 143Nd/144Nd)s(t)/(143Nd/144Nd )CHUR(t)-1]×104式中代表樣品時(shí)間為t時(shí)的 （143Nd/144Nd）S（t）比值相對(duì)于CHUR 時(shí)間為t時(shí)的(143Nd/144Nd )CHUR（t）比值的偏差

50、值。其中：（143Nd/144Nd）S(t)=（143Nd/144Nd）S-(147Sm/144Nd)S(eλt-1)（143Nd/144Nd）CHUR(t)=（143Nd/144Nd）CHUR-(147Sm/144Nd)CHUR(eλt-1),通過推導(dǎo)，有：εNd(t)≈εNd(0)- fsm/NdQNdt 對(duì)于Sr 同位素也可用以上類似的定義：εSr(0)=[ (87Sr/86Sr)S /(87Sr/86Sr)U.R-1]

51、 ×104 εSr(t)=[(87Sr/86Sr)S(t)/(87Sr/86Sr)U.R(t)-1] ×104,εNd(t) 的示蹤意義εNd(t)>0, 物質(zhì)來自虧損地幔;εNd(t)<0, 物質(zhì)來自于地殼εNd(t) ≈0, 物質(zhì)來自于未分異的原始地幔,在Nd同位素示蹤應(yīng)用中，常結(jié)合Sr同位素的研究，構(gòu)筑εNd(t)- εSr(t)

52、圖解 或εNd(t)-（87Sr/86Sr)t圖解,εNd(t),εSr(t),,虧損地幔,年輕陸殼,古老陸殼,Ⅳ,Ⅱ,Ⅲ,,,Ⅰ,下地殼,上地殼,,Fig. 6 εNd(t) vs. (87Sr/86Sr)t diagram for the Cretaceous granitoids. Each sample is caculated at t=120 Ma, a mean magma emplacement age for

53、the Cretaceous granitoids. Also shown for comparison is the fields for the Northern Dabie complex and the UHP metamorphic rocks at t=120 Ma. The fields are delineated from coupled Sr and Nd data by Chen and Jahn (1998),

54、Jahn (1998), Ma et al.(2000) and Zheng et al.(2000). The Cretaceous granitoids, irrespective of tectonic unit, show identical Sr-Nd isotopic compositions, which agree with the NDC and differ distinctly from the UHP metam

55、orphic rocks.,殼源巖石Nd同位素模式年齡（TDM）分布直方圖,北秦嶺,南秦嶺,大別山,5、 U-Th-Pb法定年及Pb同位素地球化學(xué)1） U-Th-Pb法定年 U有三種天然放射性同位素，它們是238U(99.2739%)、235U(0.0057%)和234U(0.0057%)，238U/235U=137.88； Th只有一個(gè)同位素232Th，屬天然放射性同位素，自然界還有一些U和 Th的同位素都是238U、235U

56、和232Th的短壽命且含量極微的中間子體。Pb有四種同位素，它們是204Pb、206Pb、207Pb和208Pb，其中204Pb是非放射成因鉛，而206Pb、207Pb和208Pb是放射成因鉛,238U、235U和232Th經(jīng)一系列的衰變形成，反應(yīng)如下：238U→206Pb+8α+6β235U→207Pb+7α+4β232Th→208Pb+6α+4β

57、 根據(jù)衰變定律，并考慮樣品中有初始鉛的混入，有以下等式：（206Pb/204Pb）=（206Pb/204Pb）0+(238U/204Pb)(eλ1t-1) (1)（207Pb/204Pb）=（207Pb/204Pb）0+(235U/204Pb)(eλ2t-1) (2) （208Pb/204Pb）=（208Pb/204Pb）0+(

58、232Th/204Pb)(eλ3t-1) (3)以上等式中，（206Pb/204Pb）、（207Pb/204Pb）和（208Pb/204Pb）分別為樣品現(xiàn)今的Pb同位素比值，由質(zhì)譜直接測(cè)定；（206Pb/204Pb）0、（207Pb/204Pb）0和（208Pb/204Pb）0分別為樣品形成時(shí)的Pb同位素初始比值；(238U/204Pb)、 (235U/204Pb)和 (232Th/204Pb)分別為樣品現(xiàn)今的同位素比值，通過

59、同位素稀釋法測(cè)定并計(jì)算獲得；λ1、λ2、λ3分別為238U、235U和232Th的衰變常數(shù)；t為樣品形成的時(shí)間。,聯(lián)立方程（1）和(2)式，并整理得：[(207Pb/204Pb）-（207Pb/204Pb）0]/ [（206Pb/204Pb）-（206Pb/204Pb）0]=235U(eλ2t-1)/ 238U(eλ1t-1)=1/137.88(eλ2t-1)/ (eλ1t-1)

60、 (4) 從方程(1)、(2)、(3)和(4)可以得到4個(gè)相互獨(dú)立的年齡t, 用于內(nèi)部檢驗(yàn)。方程(4)年齡的計(jì)算不需要獲得235U和 238U的原子數(shù)，并可以最大限度地避免由于鉛丟失帶來的年齡誤差，該方程是個(gè)超越方程，不能用代數(shù)方法求解t，可通過其它數(shù)學(xué)方法計(jì)算獲得。,由于238U、235U和232Th半衰期較大，因

61、此U-Th-Pb法一般只適合于古老地質(zhì)體的年齡測(cè)定，但隨著分析技術(shù)的進(jìn)步與提高，目前該方法可用于幾個(gè)Ma的年齡測(cè)定。要正確地進(jìn)行U-Th-Pb法定年，必須滿足以下條件：（1）樣品保持U-Th-Pb的封閉體系，樣品形成后未發(fā)生子體同位素和母體同位素的丟失或從外界的帶入。（2）合理的鉛同位素初始比值。,（含）U、Th礦物（主要為一些穩(wěn)定的重礦物）是U-Th-Pb法定年的主要研究對(duì)象，如：鋯石、獨(dú)居石、榍石、磷灰石、瀝清鈾礦、晶質(zhì)鈾礦、釷石等

62、。由于鋯石在各種地質(zhì)體分布較為普遍，且鋯石中的初始鉛同位素比值接近于0，因此鋯石是目前廣泛用來U-Pb法年齡測(cè)定的主要對(duì)象，受到人們的重視。 然而，鋯石的成因較為復(fù)雜，如存在有巖漿成因、變質(zhì)成因和碎屑鋯石等。據(jù)此在進(jìn)行鋯石U-Pb年齡測(cè)定前，必須對(duì)鋯石進(jìn)行礦物形態(tài)學(xué)的研究，區(qū)分鋯石的成因類型，如巖漿型鋯石晶型完好，而碎屑成因鋯石表面一般有磨蝕現(xiàn)象，只有這樣才能對(duì)鋯石年齡所代表的地質(zhì)意義作出合理的解釋。,鋯石陰極發(fā)光圖像,為了排除由

63、于礦物中子體鉛同位素的丟失而引起的年齡誤差，U-Pb諧和曲線法提供了較好的解決方法。根據(jù)(1)和(2)式，可以改寫為： 206Pb*/238U=eλ1t-1 207Pb*/235U=eλ2t-1 由上述式可見，樣品中206Pb*/238U和207Pb*/235U比值只是時(shí)間t的函數(shù)，對(duì)于一個(gè)給定的年齡值，可得出相對(duì)應(yīng)的206Pb*/238U

64、和207Pb*/235U比值。因此，通過選取不同的年齡t，求出一條理論曲線，該曲線稱為諧和曲線。,對(duì)于一組發(fā)生丟失程度不同的鋯石樣品，它們的206Pb*/238U和207Pb*/235U比值應(yīng)在這一條直線上（稱不一致線），該直線與諧和線有兩個(gè)交點(diǎn)，上交點(diǎn)為礦物的形成年齡t，下交點(diǎn)為礦物發(fā)生鉛丟失的事件年齡或變質(zhì)年齡,鋯石U-Pb諧和線法年齡測(cè)定至少需要3個(gè)樣品以上，常規(guī)的測(cè)定所需要的每個(gè)樣品量較大。隨著同位素制樣技術(shù)和質(zhì)譜分析技術(shù)的提高

65、，鋯石U-Pb諧和線法年齡研究可用鋯石單顆粒法，其中分為兩類： 一類單顆粒鋯石化學(xué)法，用單個(gè)鋯石顆粒進(jìn)行樣品的化學(xué)制備和質(zhì)譜測(cè)定，通過多個(gè)鋯石的分別測(cè)定確定諧和年齡或構(gòu)筑不一致線確定與諧和線的交點(diǎn)年齡；,另一類是單顆粒鋯石離子探針質(zhì)譜法（SHRIMP），對(duì)單顆粒鋯石不需要進(jìn)行化學(xué)制樣，直接用離子探針質(zhì)譜測(cè)定鋯石中質(zhì)點(diǎn)的U-Pb同位素組成，通通諧和線的確定鋯 石的年齡，對(duì)于有復(fù)雜生長(zhǎng)歷史和環(huán)帶構(gòu)造的鋯石，往往可給出鋯石不同階段的生長(zhǎng)

66、年齡。 LA-ICP-MS方法,2) Pb同位素地球化學(xué) Pb同位素的質(zhì)量數(shù)較大，加之Pb同位素之間的質(zhì)量數(shù)相對(duì)差異較小，因此任何物理化學(xué)條件引起Pb同位素的分餾作用極小，可忽略不計(jì)，而引起Pb同位素組成變化的主要原因是放射性U和Th的衰變。前已指出，在Pb同位素中，204Pb是非放射成因同位素，而206Pb、207Pb、208Pb是放射成因同位素，隨著時(shí)間的演化，206Pb、207Pb和208Pb不斷積累，導(dǎo)致 20

67、6Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值逐漸增長(zhǎng)，而Pb的母體同位素238U、235U和232Th 的原子數(shù)不斷降低。,根據(jù) Pb同位素的演化，可分類以下4類：（1）原生鉛：指地球物質(zhì)形成以前在宇宙原子核合成過程與其它元素同時(shí)形成的鉛，原生鉛都是非放射成因鉛，而且以富含204Pb為特征。,（2）原始鉛：指地球形成的最初時(shí)刻存在的鉛，其鉛同位素組成等于原生鉛同位素組成加上原子核合成作用完成至地球剛形成之間由

68、于U、Th放射性衰變所積累的放射成因鉛。由于在地球上無法獲得有關(guān)原始鉛的確切信息，目前一般采用以U、Th 含量最低的美國亞利桑那州 Canyon Diablo鐵隕石中的鉛同位素比值代表地球的原始鉛同位素組成，其值為: (206Pb/204Pb)0=9.307 (207Pb/204Pb)0=10.294 (208Pb/204Pb)0=29.476,3）普通鉛（或正常鉛）：指產(chǎn)于U/Pb、Th/Pb比值低的礦物和巖石中任何