放射性同位素UPb

放射性同位素UPb第1頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五U、Th是錒系元素，第2頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五U、Th在自然界多以四價(jià)氧化態(tài)出現(xiàn)，其離子半徑相近（U4+=0.105nm,Th4+=0.11nm），兩者可以相互置換在氧化條件下，U形成可溶于水的鈾酰離子（UO22＋）而成為活動(dòng)性元素Th只呈四價(jià)氧化態(tài)，且一般不溶于水從而在氧化條件下，U與Th發(fā)生分離第3頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五在球粒隕石中的含量U＝0.01ppm，Th＝0.04ppm。在部分熔融和巖漿結(jié)晶分異過(guò)程中，U、Th濃集于液相并進(jìn)入富Si產(chǎn)物。因此，花崗巖質(zhì)火成巖比基性和超基性巖、陸殼巖石比上地幔巖石富集U和Th。第4頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Pb在地球中分布很廣，不僅作為U、Th的放射成因子體出現(xiàn)，而且還形成不含U、Th的獨(dú)立礦物。Pb在巖石中呈微量元素。在巖漿的產(chǎn)生和分異、熱液作用、變質(zhì)作用和風(fēng)化作用等過(guò)程中，U/Pb和Th/Pb比值會(huì)發(fā)生改變。第5頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五11.2、U、Th衰變系列U有三個(gè)天然存在的同位素（均為放射性的），其豐度和衰變常數(shù)分別為:第6頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Th有6個(gè)天然存在的放射性同位素：其中232Th的豐度接近100%，衰變常數(shù)232=4.947510-11其它5個(gè)Th的同位素是U、Th衰變系列的短壽命放射性中間子體第7頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五母體238U、235U、232Th經(jīng)過(guò)系列衰變最終分別轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的子體206Pb、207Pb、208PbPb有4個(gè)天然存在的同位素，即除了以上三個(gè)放射成因的同位素以外，還有一個(gè)非放射成因的穩(wěn)定同位素204Pb第8頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第9頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第10頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第11頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五由于238U、235U、232Th的半衰期比它們的子體的半衰期長(zhǎng)得多，即其衰變常數(shù)比子體的衰變常數(shù)小得多，符合建立長(zhǎng)期平衡的條件（見“衰變定律”一節(jié)）經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年以上的地質(zhì)時(shí)代，并且礦物保持封閉體系，就能達(dá)到長(zhǎng)期平衡狀態(tài):N11=N22=N33＝…Nnn，即最終穩(wěn)定子體的產(chǎn)率等于源頭母體的衰變率，中間子體衰變過(guò)程可以忽略。第12頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五因此，可將206Pb、207Pb、208Pb視為238U、235U、232Th的直接衰變產(chǎn)物來(lái)對(duì)待：第13頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五U-Pb等時(shí)線第14頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五方程兩邊除于非放射成因的穩(wěn)定同位素204Pb，得到：第15頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五原則上，與Rb-Sr體系相似，上述方程可以用來(lái)構(gòu)筑等時(shí)線圖并用于對(duì)巖石定年U-Pb和Th-Pb等時(shí)線的前提也與Rb-Sr體系相似第16頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)U-Pb體系而言，還必須假定不存在235U裂變鏈，這種情況在自然界很少發(fā)生，但在中非加蓬共和國(guó)的奧克咯(Oklo)鈾礦床的天然反應(yīng)堆里出現(xiàn)。如果所分析樣品符合這些前提，則238U-206Pb、235U-207Pb、232Th-208Pb體系應(yīng)該給出一致的年齡。第17頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五廣東下莊仙石鈾礦床瀝青鈾礦U-Pb等時(shí)線（鄧平等，2003）81.2±7.7MaMSWD＝0.58

第18頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五巖石U-Pb等時(shí)線比較成功的應(yīng)用例子是對(duì)海洋碳酸鹽的定年，用其它方法對(duì)碳酸鹽定年很困難，但由于碳酸鹽中Pb含量很低（約100-500ppb），而U的含量相對(duì)較高（50-100ppb），在地質(zhì)時(shí)期皺紋珊瑚能夠產(chǎn)生可測(cè)量的206Pb變化。第19頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五U-PbisochronforDevoniancoralsfromOntario,Canada.Opensymbols(opensystembehaviorduringrecystallization)wereommittedfromtheregression.AfterSmithandFarquhar,1989.第20頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五在低級(jí)變質(zhì)作用和表生風(fēng)化作用中，由于Pb、Th特別是U的活動(dòng)性較大，因此硅酸鹽巖石的U-Pb和Th-Pb體系很少保持封閉，例如美國(guó)懷何明州的GraniteMountain巖基的全巖Th-Pb分析給出大致的等時(shí)線年齡為2.8Ga，但U-Pb等時(shí)線圖顯示U已大量丟失而無(wú)法給出年齡結(jié)果（RosholtandBartel,1969）。第21頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第22頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五實(shí)際上，U、Th和Pb的活動(dòng)性，使得U-Pb等時(shí)線定年受到很大的限制。然而，由于238U和235U、206Pb和207Pb有一致的地球化學(xué)性質(zhì)，因此有時(shí)即使已受擾動(dòng)的體系也能給出年齡信息。發(fā)掘利用這種情況的有三種定年方法：U-Pb鋯石法普通Pb法方鉛礦模式年齡法第23頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五U-Pb鋯石法如果某礦物在形成時(shí)含很高的U但不含Pb(鋯石接近此條件)，則方程206Pb=206Pbi+238U(el238t-1)207Pb=206Pbi+235U(el235t-1)可簡(jiǎn)化為： 206Pb=238U(el238t-1)207Pb=235U(el235t-1)第24頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五式中*號(hào)代表放射成因鉛。206Pb=238U(el238t-1)207Pb=235U(el235t-1)分別移項(xiàng)得：第25頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五測(cè)定該礦物的U含量、Pb同位素組成與含量，從這兩方程可以求得兩個(gè)年齡數(shù)據(jù)。如果這種礦物對(duì)U、Pb保持封閉，則這兩個(gè)年齡數(shù)據(jù)一致，稱為一致年齡。第26頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五方程可以看作一組以t為參數(shù)的參數(shù)方程，在207Pb*/235U（x軸）－206Pb*/238U（y軸）坐標(biāo)系中該參數(shù)方程組定義出一條曲線——concordia(一致曲線)(Wetherill,1956a)符合上述條件的礦物的一致年齡將位于該曲線上的某一點(diǎn)。第27頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖9-5U-Pb諧和圖。顯示了一致曲線和Pb丟失產(chǎn)生的不一致曲線第28頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五晶質(zhì)鈾礦和獨(dú)居石是最早被用來(lái)定年的礦物，但其有限的分布限制了它們的應(yīng)用。鋯石在中-酸巖中是一個(gè)廣泛分布的富鈾礦物，因此被廣泛地應(yīng)用于U-Pb定年?；詭r中的斜鋯石也被用來(lái)定年（Kroghetal.,1987）。第29頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五鋯石形成時(shí)進(jìn)入的其中的初始（普通）Pb在年齡計(jì)算中需要扣除，方法如下：測(cè)定礦物中204Pb的量，結(jié)合全巖206Pb/204Pb、207Pb/204Pb比值，來(lái)估算進(jìn)入鋯石的初始206Pb、207Pb的量，并從鋯石測(cè)定的206Pb、207Pb總量中扣除，從而獲得放射成因鉛（即206Pb*、

207Pb*）。第30頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)于普通Pb含量很低的鋯石，只要知道大致的年齡，從一般的地球Pb演化模式（如StaceyandKramers,1975提出的模式）獲得206Pb/204Pb、207Pb/204Pb比值，來(lái)估算普通Pb并進(jìn)行扣除即可，無(wú)須通過(guò)分析全巖樣品的Pb同位素組成來(lái)進(jìn)行普通Pb扣除。第31頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五鋯石Pb丟失模式早期對(duì)富U礦物的定年工作很快發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)樣品給出不一致的207Pb/235U、206Pb/238U年齡。其原因被歸結(jié)為Pb的丟失（Holmes,1954）。此后，許多U-Pb定年工作致力于研究Pb丟失的機(jī)理以及對(duì)遭受Pb丟失樣品的精確定年。第32頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Ahrens（1955）發(fā)現(xiàn)采自津巴布韋的晶質(zhì)鈾礦和獨(dú)居石給出不一致的年齡，但在諧和圖上投點(diǎn)沿一直線分布（圖6-5），這樣的直線后來(lái)被稱為不一致線（discordia）。Ahrens當(dāng)時(shí)認(rèn)為Pb的丟失是Pb持續(xù)擴(kuò)散造成的。第33頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Wetherill(1956)對(duì)圖6-5的數(shù)據(jù)進(jìn)行了另一種解釋，現(xiàn)稱之為Pb幕式丟失模式。認(rèn)為不一致線與一致曲線的上交點(diǎn)代表礦物形成年齡，同時(shí)還認(rèn)為下交點(diǎn)也有年齡意義，代表了引起Pb丟失的熱事件的年齡。下交點(diǎn)年齡500Ma與作為熱事件證據(jù)的鋰云母Rb-Sr、K-Ar年齡相吻合。第34頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Tilton(1960)對(duì)采自五個(gè)大陸的太古代地盾區(qū)的富U礦物的分析顯示，其下交點(diǎn)都在600Ma。但是，缺乏600Ma時(shí)發(fā)生熱事件的地質(zhì)證據(jù)。因此他又提出了Pb持續(xù)擴(kuò)散丟失模式。第35頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五GoldrichandMudrey(1972)認(rèn)為富U礦物中輻射損傷產(chǎn)生顯微毛細(xì)管網(wǎng)，并為流體所充滿，Pb擴(kuò)散到這些毛細(xì)流體中。當(dāng)基底巖石抬升時(shí)，引起礦物膨脹，毛細(xì)流體被排出，導(dǎo)致Pb丟失，即所謂膨脹模式。采自北美的礦物下交點(diǎn)年齡與基底抬升時(shí)間相吻合，支持這一模式。第36頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五此外，還有其它的模式（Kober,1987）。實(shí)際上，蝕變鋯石Pb丟失的確切機(jī)理在不同環(huán)境中可能是不同的。因此下交點(diǎn)年齡只有在有其它地質(zhì)證據(jù)支持的情況下，才可被賦予年齡意義。上交點(diǎn)年齡作為鋯石形成年齡的解釋則是確定的。第37頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五如果鋯石數(shù)據(jù)投影點(diǎn)離上交點(diǎn)較遠(yuǎn)，則誤差較大。為了獲得較好的上交點(diǎn)精度，Krogh(1982)認(rèn)為應(yīng)在進(jìn)行同位素分析之前，去除鋯石中Pb丟失嚴(yán)重的部分：方法一：用高通量磁鐵進(jìn)行分選，選出變生最弱的礦物顆粒。方法二：在一個(gè)風(fēng)力磨具中磨掉礦物的外層部分，該部分往往最富U，因而變生也最嚴(yán)重，樣品經(jīng)這樣處理后，分析數(shù)據(jù)的一致性大為提高。因此，后一種方法已成為“傳統(tǒng)”鋯石定年的標(biāo)準(zhǔn)程序。第38頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五傳統(tǒng)的鋯石定年方法需要將許多顆（至少幾顆）鋯石一起溶解進(jìn)行分析，這就有可能誤把不同時(shí)期不同成因的鋯石混在一起，這樣所獲得的年齡是一個(gè)沒(méi)有確切地質(zhì)含義的混合年齡（Rogersetal.,1989）。第39頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五與傳統(tǒng)鋯石定年方法相比，離子探針質(zhì)譜（SIMS）分析（Froudeetal.,1983），能夠從一顆鋯石上獲得一個(gè)甚至多個(gè)年齡數(shù)據(jù)，從而可以探測(cè)可能存在的鋯石結(jié)晶核和后期生長(zhǎng)部分的不同年齡信息。SIMS方法通過(guò)分析Pb同位素比值和U/Pb比值來(lái)定年，其數(shù)據(jù)處理方法與傳統(tǒng)方法基本相同。第40頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五激光探針-等離子質(zhì)譜（LP-ICPMS）法通過(guò)分析單顆粒鋯石的207Pb/206Pb比值獲得年齡（Fengetal.,1993），其速度較快，束斑較大，精度相對(duì)較差，在研究沉積物源區(qū)方面尤其有用，而傳統(tǒng)方法和SIMS方法的工作量太大。第41頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五鋯石207Pb/206Pb年齡對(duì)顯生宙巖石進(jìn)行U-Pb定年發(fā)現(xiàn)，獨(dú)居石和鋯石投點(diǎn)都在一致曲線附近，不能構(gòu)成很好的不一致直線，這種情況下，只好假定Pb的丟失是近期發(fā)生的，即強(qiáng)令不一致線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)。第42頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五從該不一致線斜率的倒數(shù)可以求得207Pb/206Pb年齡，即為該直線（通過(guò)原點(diǎn)）的斜率，其倒數(shù)為：因?yàn)榉匠坛?y)(x)×137.88第43頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五該方程同時(shí)表示，假定所分析礦物中的Pb都是放射成因的，則從單個(gè)測(cè)定比值207Pb/206Pb即可求得一個(gè)年齡值。×137.88第44頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五普通（全巖）Pb-Pb法重新列出以前方程以下：讓我們考慮一組具有相同年齡和相同初始Pb同位素比值并保持封閉的樣品，由于它們的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頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五實(shí)際上，對(duì)符合上述條件的一組樣品來(lái)說(shuō)，由于t、(206Pb/204Pb)i和(207Pb/204Pb)i為常數(shù)，上述兩方程在206Pb/204Pb(x軸)－207Pb/204Pb（y軸)坐標(biāo)系中，是一組以U/Pb為參數(shù)的直線參數(shù)方程（其中235U/238U≡1/137.88，太陽(yáng)系所有物質(zhì)均為此常數(shù)）。直線的斜率恰好為上述兩方程的商：=b第46頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五因此，我們只要測(cè)定這樣一組樣品的206Pb/204Pb和

207Pb/204Pb比值，在該坐標(biāo)系中投影并擬合出直線和其斜率(b)，就可以根據(jù)上式用迭代法求出年齡t。而無(wú)須測(cè)定樣品中U、Pb的含量。該方法與U-Pb等時(shí)線法具有相同的前提，其優(yōu)點(diǎn)在于：(1)無(wú)須測(cè)定樣品中U、Pb的含量，(2)接近現(xiàn)代發(fā)生的U丟失事件（如近期風(fēng)化淋漓）對(duì)該方法不造成嚴(yán)重影響（RosholtandBartel,1969）。第47頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Patterson(1956)首次用該方法獲得了3個(gè)石隕石和2個(gè)鐵隕石的年齡為4.55±0.07Ga。其中放射成因Pb最低的樣品是CanyonDiablo鐵隕石中的FeS，其U/Pb比值很低（0.025），可以認(rèn)為其形成至今，由U衰變產(chǎn)生的Pb對(duì)其初始Pb同位素組成的影響甚微。故代表了太陽(yáng)系的原始Pb同位素組成。此值是地球Pb同位素演化的基準(zhǔn)。第48頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五普通（全巖）Pb-Pb法定年實(shí)例第49頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五GraniteMountain巖基的全巖Pb-Pb等時(shí)線年齡為2.8Ga,Th-Pb也給出大致年齡2.8Ga，（RosholtandBartel,1969）第50頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五甕安陡山沱磷塊巖Pb-Pb等時(shí)線（Chenetal.,2004第51頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Pb-PbDatingblackshale.Gauthier-Lafayeetal.,1996第52頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五double-spikePb–Pbdatingofcarbonaterocks:examplesfromNeoproterozoicsequencesinsouthernAfricaFollingetal.,2000ChemGeol第53頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五模式（方鉛礦）年齡如上所述，不同的Pb同位素定年方法，以不同的方式處理U的活動(dòng)性問(wèn)題。在U-Pb鋯石定年中，選擇一個(gè)對(duì)U保持很好的礦物，而該礦物對(duì)Pb的丟失可以進(jìn)行模式化并進(jìn)行年齡計(jì)算。在普通Pb-Pb定年中，只要體系的大部分時(shí)間是封閉的，近期發(fā)生的U丟失是可以允許的。第54頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五在下述的模式年齡中，礦物相（方鉛礦）不含U，因此就沒(méi)有U丟失的問(wèn)題。由于在方鉛礦中不存在衰變，因此我們不是直接測(cè)定礦物從現(xiàn)在往回推的年齡，而是測(cè)定體系自地球形成直到方鉛礦形成（即方鉛礦從含U體系中分離出來(lái)）的這段時(shí)間。第55頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五該方法由Holmes(1946)和Houtermans(1946)分別獨(dú)立提出，故稱為Holmes-Houtermans模式或單階段模式。即把方鉛礦的Pb同位素演化分為兩段：第一段是從地球形成直到方鉛礦結(jié)晶，并且期間體系對(duì)U、Pb保持封閉；第二段是方鉛礦結(jié)晶后至今，并且方鉛礦必須不含任何Ｕ第56頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五①②①②①－②得：第57頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五式中：235U/204Pb、238U/204Pb不是方鉛礦本身、而是方鉛礦源區(qū)體系的現(xiàn)代U/Pb同位素比值；同理得：第58頁(yè)，共74頁(yè)，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*根據(jù)下面的基本公式，用另外兩種不同的推導(dǎo)方法同樣也能得到上頁(yè)公式。第59頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)今235U/238U=1/137.88；方鉛礦中因無(wú)U，故(207Pb/204Pb)t和(206Pb/204Pb)t即與現(xiàn)今比值相同第60頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五T時(shí)（4.57Ga）的Pb同位素組成，是指太陽(yáng)系星云Pb同位素組成或地球原始Pb同位素組成，可以用CanyonDiablo隕硫鐵（CD）代表：206Pb/204Pb=9.307，207Pb/204Pb=10.294，208Pb/204Pb=29.476（Tatsumotoetal.,1974）。第61頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)于來(lái)自同一源區(qū)（U/Pb相同）、不同時(shí)代（t不同）形成的方鉛礦，方程組成以t為參數(shù)的參數(shù)方程組，在206Pb/204Pb（x）－207Pb/204Pb（y）坐標(biāo)系中為一曲線（圖），稱為增長(zhǎng)曲線，即方鉛礦源區(qū)體系Pb同位素演化曲線。第62頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖6-6Pb-Pb增長(zhǎng)曲線圖。顯示某方鉛礦現(xiàn)今的Pb同位素成分是在3000Ma前從整體地球儲(chǔ)庫(kù)中分離出來(lái)的m1m2第63頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)于來(lái)自不同源區(qū)（U/Pb不同）、同時(shí)形成（t相同）的方鉛礦，上述兩方程組成以U/Pb為參數(shù)的參數(shù)方程組，在206Pb/204Pb（x）－207Pb/204Pb（y）坐標(biāo)系中為一通過(guò)CD點(diǎn)的直線（圖），m1m2第64頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五m1m2第65頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五也稱為“等時(shí)線”，其斜率可用以下方程相除得到：第66頁(yè)，共74頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一個(gè)礦區(qū)的方鉛礦的Pb同位素往往并不構(gòu)成線性分布，方鉛礦模式年齡不是通過(guò)擬合直線獲得斜率代入該方程求t，而是將測(cè)定的方鉛礦Pb同位素組成直接代入該方程求得