放射性同位素地球化學(xué)2011(上)

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所中國(guó)科學(xué)院研究生院2011年放射性同位素地球化學(xué)(上)提綱放射性同位素地球化學(xué)(上)放射性同位素演化的基本原理和同位素示蹤的主要方法1.1基本原理1.2Rb-Sr體系1.3Sm-Nd體系1.4U-Th-Pb體系1.5Lu-Hf體系1.6Re-Os體系1.1基本原理衰變定律D=D0+N(elt-1)放射性衰變放射性衰變定律-μ-dNdtN或dNdt=Nl放射性母體原子數(shù)量時(shí)間

1??不穩(wěn)定核素及其半衰期地球化學(xué)常用的衰變體系地球化學(xué)常用衰變體系的一些參數(shù)同位素比值的測(cè)量樣品離子化和引入系統(tǒng)磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)1.2Rb-Sr體系Rb是強(qiáng)不相容元素，Sr是中等不相容元素，在上地幔分異過(guò)程中，他們都傾向于進(jìn)入熔體；Rb的行為類(lèi)似K，傾向于賦存在白云母，鉀長(zhǎng)石中；Sr的行為類(lèi)似Ca，易進(jìn)入斜長(zhǎng)石，磷灰石中（不包括單斜輝石）隨著巖漿演化，超基性

基性

中性

酸性，Rb/Sr

（87Rb/86Sr）比值升高85Rb:87Rb=72:2884Sr:86Sr:87Sr:88Sr（平均）

=0.56:9.87:7.04:82.5386Sr是穩(wěn)定同位素

87Rb

87Sr+b粒子(l=1.42x10-11a-1)基本的數(shù)學(xué)關(guān)系與參數(shù)87Rb=87Sr+b-87Sr=87Sri+87Rb(elt–1)87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr)i+(87Rb/86Sr)(elt–1)(87Sr/86Sr)BABI=0.69899±5BABI=BasalticAchondriteBestInitial玄武質(zhì)無(wú)球粒隕石最佳初始值abcto86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro()Rb-Sr等時(shí)線(xiàn)的形成abca1b1c1t1to86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro()Rb-Sr等時(shí)線(xiàn)的形成a2b2c2t2abca1b1c1t1to86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro()Rb-Sr等時(shí)線(xiàn)的形成Rb-Sr等時(shí)線(xiàn)示意圖南嶺常見(jiàn)的強(qiáng)過(guò)鋁S-型花崗巖顯微照片

（引自周新民教授報(bào)告2008年）MsMsMsBtKfsQtzMsMsKfsKfsQtzQtzQtzQtzKfsMsMsMsMs1mm1mm0.5mmabcd贛南會(huì)昌高排巖體G99-18-2GD06-3粵北翁源帽峰巖體粵北始興司前巖體GD08G99-2-3贛南大余西華山巖體PlRb-Sr等時(shí)線(xiàn)實(shí)例－－玄武質(zhì)無(wú)球粒隕石全巖樣品(87Sr/86Sr)BABI=0.69899±5Rb-Sr等時(shí)線(xiàn)的改造/變質(zhì)作用中的再平衡變質(zhì)作用，就是高溫條件下，固態(tài)重結(jié)晶作用。由于溫度升高，發(fā)生同位素交換反應(yīng)，不同礦物之間，87Sr/86Sr均一化；而87Rb/86Sr（Rb/Sr）比值，受分配系數(shù)差別的制約，平衡的時(shí)候，不同礦物之間，比值不同。Rb-Sr等時(shí)線(xiàn)的改造/變質(zhì)作用中的再平衡Sr同位素比值的演化(1)隨著巖漿演化，超基性

基性

中性

酸性，87Rb/86Sr比值升高35億年以來(lái)海相碳酸鹽Sr同位素組成及其對(duì)海水Sr同位素組成演化手指示。理解圖意，對(duì)比地幔Nd同位素演化!Sr同位素比值的演化(2)Sr同位素比值的演化(2)－顯生宙海水海水Sr同位素組成與殼幔Sr循環(huán)模式1.3Sm-Nd體系Sm和Nd都是輕稀土元素，都是中等不相容元素，在地幔和地殼的部分熔融過(guò)程中，易進(jìn)入熔體相Nd原子序數(shù)低于Sm

離子半徑大于Sm

分配系數(shù)小于Sm，比Sm容易進(jìn)入熔體相因此，隨著巖漿演化，超基性

基性

中性

酸性，Sm/Nd（147Sm/144Nd）比值依次降低144Sm:147Sm:148Sm:149Sm:150Sm:152Sm:154Sm=3.09:14.97:11.24:13.83:7.44:26.72:22.71142Nd:

143Nd:144Nd:145Nd:146Nd:148Nd:150Nd=27.11:12.17:23.85:8.30:17.22:5.73:5.62144Nd是穩(wěn)定同位素不同殼幔端元REE組成基本的數(shù)學(xué)關(guān)系與參數(shù)147Sm=143Nd+a143Nd=143Ndi+147Sm(elt–1)143Nd/144Nd=(143Nd/144Nd)i+(147Sm/144Nd)(elt–1)(143Nd/144Nd)CHUR=0.512638(147Sm/144Nd)CHUR=0.1967CHUR=ChondriteUniformReservior,球粒隕石均一庫(kù) 143Nd/144Nd-(143Nd/144Nd)CHUR (143Nd/144Nd)CHUReNd=×１０4

Sm-Nd同位素體系的地球化學(xué)意義通過(guò)對(duì)隕石系統(tǒng)的研究，建立了殼幔演化關(guān)系模型，其中包括虧損地幔演化模型、全球地殼生長(zhǎng)模型和區(qū)域初生地殼加入模型，并建立了巖漿物質(zhì)來(lái)源的示蹤研究方法；對(duì)于高級(jí)變質(zhì)變質(zhì)事件定年，具有重要作用。球粒隕石全巖樣品Sm-Nd等時(shí)線(xiàn)－－CHUR問(wèn)題：143Nd/144Nd=0.512638，是如何得來(lái)的？后來(lái)，Nd同位素分析的質(zhì)譜分餾校正方法由原來(lái)的146Nd/142Nd=0.636151改變?yōu)橛?guó)劍橋大學(xué)O’Nions提出的直接用Nd+進(jìn)行質(zhì)譜測(cè)試的146Nd/144Nd=0.7219。相應(yīng)地，143Nd/144Nd=0.512638，147Sm/144Nd=0.1966（Hamilton，1983）。Nd同位素的演化(1)－整體地球(CHUR)，地幔和地殼的分異巖漿演化：超基性

基性

中性

酸性，Sm/Nd(147Sm/144Nd)比值降低Nd同位素的演化(2)-模式年齡虧損地幔模式年齡Nd同位素虧損地幔模式年齡的計(jì)算1)143Nd/144Nd=(143Nd/144Nd)DM+(147Sm/144Nd)(elTDM–1)2)eNd=0.25*T2－3T＋8.5(TinGa)3)(143Nd/144Nd)CHUR=0.512638；(147Sm/144Nd)CHUR=0.1967 143Nd/144Nd-(143Nd/144Nd)CHUR (143Nd/144Nd)CHUReNd=×１０4

TDMTCHUReNd(0)虧損地幔模式年齡問(wèn)題：1)在地質(zhì)歷史上，虧損地幔和由它分異出的陸殼，143Nd/144Nd的差別為什么越來(lái)越大？2)在什么條件下，MORB的同位素組成與DM相同？什么時(shí)候開(kāi)始不同？3)什么過(guò)程造成Sm/Nd比值變化，什么過(guò)程造成143Nd/144Nd比值變化？Nd同位素的演化（3）－大陸地殼Nd同位素的演化(4)-大陸地殼的生長(zhǎng)時(shí)代Nd同位素模式年齡的說(shuō)明模型假設(shè)初生地殼的形成速率是均一的，而事實(shí)上地殼增生模型有多種，故存在至少兩種模式年齡的計(jì)算方法(線(xiàn)性、指數(shù))；模型假設(shè)Sm/Nd比值變化只發(fā)生于地幔巖石部分熔融形成初生地殼的階段，但殼內(nèi)物質(zhì)的重熔及高級(jí)變質(zhì)作用同樣可引起Sm/Nd比值變化，故有了二階段模式年齡（見(jiàn)下圖）。由于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件的誤差對(duì)tDM的影響，即傳遞誤差為約0.2Ga，故tDM的計(jì)算結(jié)果也多以Ga為單位，而不是Ma，數(shù)據(jù)精確到小數(shù)1~2位。同理適用于

Nd(t)

計(jì)算。Nd同位素的演化(5)-大陸地殼的二階段模式年齡二階段模式年齡SA、CC、DM分別代表樣品、地殼和虧損地幔。而t表示引起Sm/Nd比值發(fā)生變化的地質(zhì)過(guò)程或事件的時(shí)間，如地殼深熔作用、幔源巖漿發(fā)生結(jié)晶分異作用和富集REE的礦物發(fā)生分選作用的時(shí)間等。T2DM的計(jì)算還需知道地幔物質(zhì)進(jìn)入地殼后，并在發(fā)生Sm/Nd比值變化前的147Sm/144Nd比值，即地殼的147Sm/144Nd比值。對(duì)于沉積巖類(lèi)，往往用上地殼的平均比值來(lái)代替：0.118

0.017(540個(gè)全球沉積巖平均值)，但對(duì)于中下地殼的樣品，可能其147Sm/144Nd比值相對(duì)要高。但若作為一種同地區(qū)樣品間的物源區(qū)時(shí)代的相對(duì)比較，用上地殼組成代替，仍可獲得有意義的地球化學(xué)示蹤信息。1.4U-Th-Pb體系地球化學(xué)性質(zhì)(一)U和Th均屬錒系元素，常為+4價(jià)，但在地球表層條件下，U呈+6價(jià)；由于較大的離子半徑和高電價(jià)，U和Th均表現(xiàn)為強(qiáng)不相容元素；+4價(jià)U、Th較穩(wěn)定，但+6價(jià)的U可呈UO22-溶于水而發(fā)生遷移；地球化學(xué)性質(zhì)(二)除極少數(shù)情況下以瀝青鈾礦(uraninite，UO2)和硅酸釷礦(thorite)形式成獨(dú)立礦物外，多數(shù)條件下U和Th呈分散狀分布于造巖礦物中或集中于副礦物中(鋯石、獨(dú)居石、磷灰石、榍石)；副礦物中，鋯石(ZrSiO4)選擇性富集U，而獨(dú)居石([Ce,La,Th]PO4)選擇性富集Th。地球化學(xué)性質(zhì)(三)Pb為易揮發(fā)親銅元素，屬中等不相容元素；Pb的獨(dú)立礦物為方鉛礦（PbS），而在硅酸鹽礦物中，多與元素K形成類(lèi)質(zhì)同象而趨向存在于鉀長(zhǎng)石等礦物中；通常條件下Pb性質(zhì)穩(wěn)定，但在高溫和酸性條件下可形成氯或硫的化合物，易溶解于熱液中而發(fā)生遷移?；镜臄?shù)學(xué)關(guān)系與參數(shù)206Pb=206Pbi+238U(el238t–1)

207Pb=207Pbi+235U(el235t–1)208Pb=208Pbi+232Th(el232t–1)(1)對(duì)于低Pb高U的體系（如鋯石）(206Pb/238U)*=(el238t–1)(207Pb/235U)*=(el235t–1)(2)對(duì)于一般的Pb同位素體系（全巖＋長(zhǎng)石）(206Pb/204Pb)*=m(el238t–1)(207Pb/204Pb)*=(m/137.88)(el238t–1)m=238U/204Pb，在t=0時(shí)，即現(xiàn)代相當(dāng)值等時(shí)線(xiàn)方程(207Pb/204Pb)*/(206Pb/204Pb)*=(1/137.88)[(el235t–1)/(el238t–1)](3)對(duì)于低U高Pb的體系（如方鉛礦）

有U衰變 無(wú)U衰變T t P地球年齡 方鉛礦形成 現(xiàn)在(207Pb/204Pb)t-(207Pb/204Pb)T=(m/137.88)(el235T–el235t)(206Pb/204Pb)t-(206Pb/204Pb)T=m(el238T–el238t)原始Pb,CanyonDiablo隕硫鐵(207Pb/204Pb)T=10.294(206Pb/204Pb)T=9.307(208Pb/204Pb)T=29.476因此，對(duì)方鉛礦，可以得到：(207Pb/204Pb)P-10.2941(el235T–el235t)(206Pb/204Pb)P-9.307137.88(el238T–el238t)=低Pb高U的體系-鋯石U-Pb體系的演化，諧和線(xiàn)諧和線(xiàn)一般的Pb同位素體系(1)-0等時(shí)線(xiàn)/地球年齡一般的Pb同位素體系(2)-等時(shí)線(xiàn)和增長(zhǎng)曲線(xiàn)等時(shí)線(xiàn)增長(zhǎng)曲線(xiàn)原始Pb地球年齡線(xiàn)隨著巖漿演化，超基性

基性

中性

酸性，238U/204Pb比值升高一般的Pb同位素體系(3)－巖石的Pb-Pb等時(shí)線(xiàn)，古老片麻巖年齡和源區(qū)的關(guān)系低U高Pb的體系(1)-不同環(huán)境方鉛礦的Pb-Pb同位素分布低U高Pb的體系(2)-Stacey的兩階段Pb-Pb同位素演化模式由于地殼、地幔演化的復(fù)雜性，假設(shè)所有的Pb自地球形成以來(lái)均保持封閉與多數(shù)地質(zhì)觀察不符；相當(dāng)比例礦石Pb樣品同位素組成算計(jì)出了不合理老的或負(fù)的年齡；事實(shí)上，礦石Pb模式年齡的應(yīng)用并不成功，盡管許多研究者提出其它修改模式(如二階段、多階段模式)，或整合Pb(comforablePb)與JPb(J-typePb)等概念，但其在地質(zhì)定年研究中被大多數(shù)人放棄。相反，礦石Pb或稱(chēng)普通Pb的同位素組成往往與形成環(huán)境或巖石圈屬性有關(guān)，成為研究地殼、地幔演化的過(guò)示蹤手段。不同圈層Pb同位素演化的差別-Zartman的Pb構(gòu)造模式(1)不同圈層Pb同位素演化的差別-Zartman的Pb構(gòu)造模式(2)abcto204Pb206Pb204Pb238U204Pb206Pbo()U-Pb等時(shí)線(xiàn)的形成abca1b1c1t1to204Pb206Pb204Pb238U204Pb206Pbo()U-Pb等時(shí)線(xiàn)的形成a2b2c2t2abca1b1c1t1to204Pb207Pb204Pb235U204Pb207Pbo()U-Pb等時(shí)線(xiàn)的形成等時(shí)線(xiàn)增長(zhǎng)曲線(xiàn)等時(shí)線(xiàn)增長(zhǎng)曲線(xiàn)原始Pb地球年齡線(xiàn)U-Pb等時(shí)線(xiàn)的形成1.5Lu-Hf體系Lu是重稀土元素，也是不相容元素。部分熔融過(guò)程中，一般進(jìn)入熔體。但是，如果存在石榴石，則容易富集在石榴石中；Hf是典型的高場(chǎng)強(qiáng)元素，也是不相容元素，與Zr的地球化學(xué)性質(zhì)相近。部分熔融過(guò)程中，一般進(jìn)入熔體。但是，如果存在鋯石，則容易富集在鋯石中；巖漿演化：超基性

基性

中性

酸性，Lu/Hf（176Lu/177Hf）比值降低。自然界中Lu元素由兩個(gè)同位素組成：175Lu和176Lu，Hf元素有6個(gè)同位素：174Hf、176Hf、177Hf、178Hf、179Hf和180Hf。Lu-Hf同位素體系