放射性同位素地球化学2011(上)

中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院研究生院2011年放射性同位素地球化学(上)提纲放射性同位素地球化学(上)放射性同位素演化的基本原理和同位素示踪的主要方法1.1基本原理1.2Rb-Sr体系1.3Sm-Nd体系1.4U-Th-Pb体系1.5Lu-Hf体系1.6Re-Os体系1.1基本原理衰变定律D=D0+N(elt-1)放射性衰变放射性衰变定律--dNdtN或dNdt=Nl时间1½¼不稳定核素及其半衰期地球化学常用的衰变体系地球化学常用衰变体系的一些参数同位素比值的测量样品离子化和引入系统磁场检测系统1.2Rb-Sr体系Rb是强不相容元素，Sr是中等不相容元素，在上地幔分异过程中，他们都倾向于进入熔体；Rb的行为类似K，倾向于赋存在白云母，钾长石中；Sr的行为类似Ca，易进入斜长石，磷灰石中（不包括单斜辉石）•随着岩浆演化，超基性基性中性酸性，Rb/Sr（87Rb/86Sr）比值升高85Rb:87Rb=72:2884Sr:86Sr:87Sr:88Sr（平均）=0.56:9.87:7.04:82.5386Sr是稳定同位素•87Rb87Sr+b粒子(l=1.42x10-11a-1)基本的数学关系与参数87Rb=87Sr+b-87Sr=87Sri+87Rb(elt–1)87Sr/86Sr=(87Sr/86Sr)i+(87Rb/86Sr)(elt–1)(87Sr/86Sr)BABI=0.69899±5BABI=BasalticAchondriteBestInitial玄武质无球粒陨石最佳初始值abcto86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro()Rb-Sr等时线的形成abca1b1c1t1to86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro()Rb-Sr等时线的形成a2b2c2t2abca1b1c1t1to86Sr87Sr86Sr87Rb86Sr87Sro()Rb-Sr等时线的形成Rb-Sr等时线示意图南岭常见的强过铝S-型花岗岩显微照片（引自周新民教授报告2008年）MsMsMsBtKfsQtzMsMsKfsKfsQtzQtzQtzQtzKfsMsMsMsMs1mm1mm0.5mmabcd赣南会昌高排岩体G99-18-2GD06-3粤北翁源帽峰岩体粤北始兴司前岩体GD08G99-2-3赣南大余西华山岩体PlRb-Sr等时线实例－－玄武质无球粒陨石全岩样品(87Sr/86Sr)BABI=0.69899±5Rb-Sr等时线的改造/变质作用中的再平衡变质作用，就是高温条件下，固态重结晶作用。由于温度升高，发生同位素交换反应，不同矿物之间，87Sr/86Sr均一化；而87Rb/86Sr（Rb/Sr）比值，受分配系数差别的制约，平衡的时候，不同矿物之间，比值不同。Rb-Sr等时线的改造/变质作用中的再平衡Sr同位素比值的演化(1)随着岩浆演化，超基性基性中性酸性，87Rb/86Sr比值升高35亿年以来海相碳酸盐Sr同位素组成及其对海水Sr同位素组成演化手指示。理解图意，对比地幔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)－显生宙海水海水Sr同位素组成与壳幔Sr循环模式1.3Sm-Nd体系•Sm和Nd都是轻稀土元素，都是中等不相容元素，在地幔和地壳的部分熔融过程中，易进入熔体相•Nd原子序数低于Sm离子半径大于Sm分配系数小于Sm，比Sm容易进入熔体相•因此，随着岩浆演化，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=3.09:14.97:11.24:13.83:7.44:26.72:22.71142Nd:143Nd:144Nd:145Nd:146Nd:148Nd:150Nd=27.11:12.17:23.85:8.30:17.22:5.73:5.62144Nd是稳定同位素不同壳幔端元REE组成LaCePrNdSmEuGdTbDyHoErTmYbLuSample/Chondrite110100ChondriteN-MORBE-MORBOIBContinentalCrustUpperCrustLowerCrust基本的数学关系与参数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,球粒陨石均一库143Nd/144Nd-(143Nd/144Nd)CHUR(143Nd/144Nd)CHUReNd=×１０4Sm-Nd同位素体系的地球化学意义•通过对陨石系统的研究，建立了壳幔演化关系模型，其中包括亏损地幔演化模型、全球地壳生长模型和区域初生地壳加入模型，并建立了岩浆物质来源的示踪研究方法；•对于高级变质变质事件定年，具有重要作用。球粒陨石全岩样品Sm-Nd等时线－－CHUR•问题：•143Nd/144Nd=0.512638，是如何得来的？后来，Nd同位素分析的质谱分馏校正方法由原来的146Nd/142Nd=0.636151改变为英国剑桥大学O’Nions提出的直接用Nd+进行质谱测试的146Nd/144Nd=0.7219。相应地，143Nd/144Nd=0.512638，147Sm/144Nd=0.1966（Hamilton，1983）。Nd同位素的演化(1)－整体地球(CHUR)，地幔和地壳的分异岩浆演化：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)-模式年龄亏损地幔模式年龄Nd同位素亏损地幔模式年龄的计算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=0.1967143Nd/144Nd-(143Nd/144Nd)CHUR(143Nd/144Nd)CHUReNd=×１０4TDMTCHUReNd(0)亏损地幔模式年龄问题：1)在地质历史上，亏损地幔和由它分异出的陆壳，143Nd/144Nd的差别为什么越来越大？2)在什么条件下，MORB的同位素组成与DM相同？什么时候开始不同？3)什么过程造成Sm/Nd比值变化，什么过程造成143Nd/144Nd比值变化？Nd同位素的演化（3）－大陆地壳Nd同位素的演化(4)-大陆地壳的生长时代Nd同位素模式年龄的说明模型假设初生地壳的形成速率是均一的，而事实上地壳增生模型有多种，故存在至少两种模式年龄的计算方法(线性、指数)；模型假设Sm/Nd比值变化只发生于地幔岩石部分熔融形成初生地壳的阶段，但壳内物质的重熔及高级变质作用同样可引起Sm/Nd比值变化，故有了二阶段模式年龄（见下图）。由于现代实验技术条件的误差对tDM的影响，即传递误差为约0.2Ga，故tDM的计算结果也多以Ga为单位，而不是Ma，数据精确到小数1~2位。同理适用于eNd(t)计算。Nd同位素的演化(5)-大陆地壳的二阶段模式年龄二阶段模式年龄-----DMCCDMtCCSASADMNdSmNdSmNdNdeNdSmNdSmNdNdt)()()()1()()()(1ln11441471441471441431441471441471441432llSA、CC、DM分别代表样品、地壳和亏损地幔。而t表示引起Sm/Nd比值发生变化的地质过程或事件的时间，如地壳深熔作用、幔源岩浆发生结晶分异作用和富集REE的矿物发生分选作用的时间等。T2DM的计算还需知道地幔物质进入地壳后，并在发生Sm/Nd比值变化前的147Sm/144Nd比值，即地壳的147Sm/144Nd比值。对于沉积岩类，往往用上地壳的平均比值来代替：0.1180.017(540个全球沉积岩平均值)，但对于中下地壳的样品，可能其147Sm/144Nd比值相对要高。但若作为一种同地区样品间的物源区时代的相对比较，用上地壳组成代替，仍可获得有意义的地球化学示踪信息。1.4U-Th-Pb体系地球化学性质(一)•U和Th均属锕系元素，常为+4价，但在地球表层条件下，U呈+6价；•由于较大的离子半径和高电价，U和Th均表现为强不相容元素；•+4价U、Th较稳定，但+6价的U可呈UO22-溶于水而发生迁移；地球化学性质(二)•除极少数情况下以沥青铀矿(uraninite，UO2)和硅酸钍矿(thorite)形式成独立矿物外，多数条件下U和Th呈分散状分布于造岩矿物中或集中于副矿物中(锆石、独居石、磷灰石、榍石)；•副矿物中，锆石(ZrSiO4)选择性富集U，而独居石([Ce,La,Th]PO4)选择性富集Th。地球化学性质(三)•Pb为易挥发亲铜元素，属中等不相容元素；•Pb的独立矿物为方铅矿（PbS），而在硅酸盐矿物中，多与元素K形成类质同象而趋向存在于钾长石等矿物中；•通常条件下Pb性质稳定，但在高温和酸性条件下可形成氯或硫的化合物，易溶解于热液中而发生迁移。基本的数学关系与参数206Pb=206Pbi+238U(el238t–1)207Pb=207Pbi+235U(el235t–1)208Pb=208Pbi+232Th(el232t–1)(1)对于低Pb高U的体系（如锆石）(206Pb/238U)*=(el238t–1)(207Pb/235U)*=(el235t–1)(2)对于一般的Pb同位素体系（全岩＋长石）(206Pb/204Pb)*=m(el238t–1)(207Pb/204Pb)*=(m/137.88)(el238t–1)m=238U/204Pb，在t=0时，即现代相当值等时线方程(207Pb/204Pb)*/(206Pb/204Pb)*=(1/137.88)[(el235t–1)/(el238t–1)](3)对于低U高Pb的体系（如方铅矿）有U衰变无U衰变TtP地球年龄方铅矿形成现在(207Pb/204Pb)t-(207Pb/204Pb)T=(m/137.88)(el235T–el235t)(206Pb/204Pb)t-(206Pb/204Pb)T=m(el238T–el238t)原始Pb,CanyonDiablo陨硫铁(207Pb/204Pb)T=10.294(206Pb/204Pb)T=9.307(208Pb/204Pb)T=29.476因此，对方铅矿，可以得到：(207Pb/204Pb)P-10.2941(el235T–el235t)(206Pb/204Pb)P-9.307137.88(el238T–el238t)=低Pb高U的体系-锆石U-Pb体系的演化，谐和线谐和线一般的Pb同位素体系(1)-0等时线/地球年龄一般的Pb同位素体系(2)-等时线和增长曲线等时线增长曲线原始Pb地球年龄线随着岩浆演化，超基性基性中性酸性，238U/204Pb比值升高一般的Pb同位素体系(3)－岩石的Pb-Pb等时线，古老片麻岩年龄和源区的关系低U高Pb的体系(1)-不同环境方铅矿的Pb-Pb同位素分布低U高Pb的体系(2)-Stacey的两阶段Pb-Pb同位素演化模式•由于地壳、地幔演化的复杂性，假设所有的Pb自地球形成以来均保持封闭与多数地质观察不符；•相当比例矿石Pb样品同位素组成算计出了不合理老的或负的年龄；•事实上，矿石Pb模式年龄的应用并不成功，尽管许多研究者提出其它修改模式(如二阶段、多阶段模式)，或整合Pb(comforablePb)与JPb(J-typePb)等概念，但其在地质定年研究中被大多数人放弃。相反，矿石Pb或称普通Pb的同位素组成往往与形成环境或岩石圈属性有关，成为研究地壳、地幔演化的