第六章-同位素地球化学-地球化学课件.ppt

1、北京大学地球与空间科学学院北京大学地球与空间科学学院地球化学研究所地球化学研究所地球化学地球化学授课老师：授课老师：李李 秋秋 根根E-mail:Phone:13671352603(MP)Room:新地学楼35081）模式年龄2）等时线定年法的原理和应用的必要条件3）U-Pb谐和曲线法 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。K的地球化学特点1）+1价的碱金属元素，亲石元素，强不相容元素，离子半径为1.33；2）活动性：

2、地表易淋滤，迁移过程中钾部分被粘土矿物吸附，大部分溶于水，进入到湖泊或海洋，以盐类矿物（钾盐、光卤石、明矾石等）沉淀。3）重要造岩矿物，酸性和碱性岩，含钾矿物主要为钾长石、白榴石、霞石、云母、角闪石等。Ar的地球化学特点1）惰性气体；在自然界中的氩主要存在于空气中，构成大气氩；2）一些矿物如辉石、绿柱石、绿泥石等常含有过剩氩（即40Ar/36Ar 295.5），包括岩石和矿物形成时继承的继承氩等。钾（钾（K：Z=19）氩（氩（Ar：Zr=18）（由于40K只占钾元素约0.012%，虽其中约89.33%放射性衰变形成的40Ca，然而40Ca是其中丰度最高的同位素，故放射性成因所引起的钙同位素组成

3、40Ca/42Ca比值变化量很小；以至于实验室进行准确测定十分困难。因此，在选择K的同位素定年方法时，K-Ar法较K-Ca法更具适用性。当然，近年来随着同位素化学和质谱技术的提高，K-Ca法得到不同程度的开展与应用。通常为何不采用通常为何不采用40K-40Ca测年？测年？Ca属于常量元素，由6个同位素组成：40 Ca：96.941%（占绝对多数）42Ca：0.647%43Ca：0.135%44Ca：2.086%46Ca：0.004%48Ca：0.187%e =0.581*10-10 yr-1 =4.962*10-10 yr-1=(e+)=5.543*10-10 yr-1 36Ar38Ar40A

4、r40K39K182019182122Number of neutronsNumber of protons41K2043,44,46,48Ca40Ca42Ca1940Ar*40Ar36Ar36Ar40Ke=295.5+(et-1)40Ar36Ar36Ar40Ke=295.5+(et-1)关于氩丢失和过剩氩（继承氩）问题：氩是惰性气体，在矿物晶格中稳定性较差，容易发生扩散，对受热作用较为敏感，A.区域变质、接触变质、热液活动等可以使氩丢失：用逐级加热的方法排除氩丢失的影响，等量丢失：40K-40Ar等时线法B.样品中混入大气氩或其它成因的氩（过剩氩）将使年龄偏老，可采用等时线法排除过剩氩的干扰

5、，等量过剩氩:40K/36Ar-40Ar/36Ar等时线法 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。衫（Z=62）和钕（Z=60）：稀土元素，亲石元素，富集在硅酸盐相中，在岩石和矿物中含量低，从超基性-基性-中性-酸性-碱性含量显著增高，但Sm/Nd比值则减小，可见在超基性和基性岩中比值较高。衫（Sm）和钕（Nd）像其它稀土元素一样，一般呈+3价离子。衫和钕没有独立的矿物，常与其它稀土一道赋存在独居石、铌钇矿、磷钇矿等稀

6、土矿物中或以类质同象形式进入到其它矿物晶格中替代Ca 2+、Th 4+、Mn 2+和Zr 4+等离子。含钙的造岩矿物富集Sm和Nd。衫（Sm：Z=62）钕（Nd：Z=60）=1.061011 3.01014 1.01015 =2.01015 1.01017。146Nd/144Nd=0.7219；143Nd/144Nd随时间变化。147Sm=143Nd+a a+E+E根据D*=N(et-1),有 143Nd*=147Sm(et-1)t=1/ln(1+143Nd*/147Sm)6260不适合酸性岩不适合酸性岩 在衫-钕法年龄计算方程中测年的关键关键是要知道样品形成时的(143Nd/144Nd)o

7、比值，将假设的初始比值代入Sm-Nd法年龄计算方程中所计算得到的年龄称为同位素模式年龄同位素模式年龄。假设：假设：如果地壳岩石来源于Sm/Nd比值接近于球粒陨石均一储库（CHUR）型地幔源区，而且Sm-Nd化学分馏主要发生在地壳岩石从C H U R 储 库 中 提 取 的 时 期 内，那 么 地 壳 岩 石 在 时 间 t 的 初 始(143Nd/144Nd)o 值就等于CHUR源区在时间t的演化值：将t改写成TCHUR TCHUR代表地壳物质从CHUR分离出来的时间 随着研究的深入，地壳是从地幔中分异，地幔发生了亏损，因而采用相对于亏损地幔（DM）计算的Nd同位素模式年龄更为合理，即亏损地幔

8、的Nd同位素模式年龄TDM：将将t改写成改写成TDM TDM代表地壳物质从亏损地幔中分离的时间。Nd 0+10-2004.5年龄（Ga)DMCHURTCHURTDM147Sm/144Nd)s/(147Sm/144Nd)CHUR-1低Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比低Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比高Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比高Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比（2）适用于Sm-Nd年龄测定的岩石样品基性、超基性岩：岩石形成年龄（等时线年龄）酸性岩：适于模式年龄变质岩：原岩的年龄（岩浆岩，等时线年龄）沉积岩：模式年龄（物源的平均年龄）目

9、前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。l自然界中自然界中Lu元素由两个同位素组成元素由两个同位素组成：175Lu和和176Lu，lHf元素有元素有6个同位素：个同位素：174Hf(170Yb)、176Hf、177Hf、178Hf、179Hf和和180Hf。lLu-Hf同位素体系存在同位素体系存在176Lu母体衰变母体衰变成成176Hf子体的放射性衰变关系：子体的放射性衰变关系：QHfLu+1767217671)1(177

10、1760177176177176+teHfLuHfHfHfHflLu，重稀土元素，重稀土元素，+3价，离子半径价，离子半径0.93；中等不相容元素。部分熔融过；中等不相容元素。部分熔融过程中，一般进入熔体。但是，如果存在程中，一般进入熔体。但是，如果存在石榴石，则易富集在石榴石中；石榴石，则易富集在石榴石中；lHf，典型的高场强元素，典型的高场强元素，+4价，离子半价，离子半径径0.71；中等不相容元素，与；中等不相容元素，与Zr的地的地球化学性质相近。部分熔融过程中，一球化学性质相近。部分熔融过程中，一般进入熔体。但，如果存在锆石，则易般进入熔体。但，如果存在锆石，则易富集在锆石中。富集在锆

11、石中。岩浆演化：超基岩浆演化：超基性性 基性基性 中性中性 酸性，酸性，Lu/Hf（176Lu/177Hf）比值比值降低。降低。三峡地区陡山沱组磷块岩Barfod et al.(2002)意大利西部阿尔卑斯造山带由下而上三个地质单元榴辉岩Lu-Hf矿物内部等时线年龄Duchene et al.(1997)Hf(0)=(176Hf/177Hf)S/(176Hf/177Hf)CHUR,0-1)10000Hf(t)=(176Hf/177Hf)S-(176Lu/177Hf)S(et-1)/(176Hf/177Hf)CHUR,0-(176Lu/177Hf)CHUR(et-1)-1)10000TDM1=1

12、/(1+(176Hf/177Hf)S-(176Hf/177Hf)DM)/(176Lu/177Hf)S-(176Lu/177Hf)DM)TDM2=TDM1-(TDM1-t)(fcc-fs)/(fcc-fDM)Lu/Hf=(176Lu/177Hf)S/(176Lu/177Hf)CHUR-1 其中，其中，(176Lu/177Hf)S和和(176Hf/177Hf)S为样品测定值，为样品测定值，(176Lu/177Hf)CHUR=0.0332,(176Hf/177Hf)CHUR,0=0.282772;(176Lu/177Hf)DM=0.0384,(176Hf/177Hf)DM=0.28325.cc,s,

13、DM 分别为大陆地壳、样品和亏损地分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的幔的Lu/Hf。t为样品形成时间，为样品形成时间，=1.86710-11 year-1。目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。Re的地球化学特点1）Re为亲铁元素，具有一定的亲硫趋势，金属相或硫化物比较富集，在硅酸盐相中含量很低；2）Re为中等不相容元素，主要富集在地核中，Re在地壳中相对富集。3）Re的电价也为+4价，其离子半径为0.63，与Mo相似；

14、4）高含量矿物：辉钼矿、磁铁矿和罕见独立矿物辉铼矿（ReS2）等。Os地球化学特点1）Os为亲铁元素，具有一定的亲硫趋势，金属相或硫化物比较富集，在硅酸盐相中含量很低；2）Os为相容元素，主要富集在地核中，Os在地壳中相对亏损。3）Os为+4价，其离子半径为0.69，相似于其它铂族元素；4）独立矿物包括铱锇矿（OsIr）、硫钌锇矿（RuS2-OsS2）等。铼（铼（Re：Z=75）（相对丰度）185Re 37.40%187Re 62.60%锇（锇（Os：Z=76）（相对丰度）184Os 0.018%186Os 1.59%187Os 1.64%188Os 18.3%189Os 16.1%190OS

15、 26.4%192Os 41.0%186Os 可以由190Pa经a衰变而形成的放射性成因子体，且自身以a衰变成182W。陨石、地幔和部分岩石-矿物的Re、Os含量极其187Re/188OsShirey and Walker(1998)铼-锇等时线年龄应满足的条件：同其它等时线年龄。QOs+1877618775Re)1(Re1861870186187186187+tteOsOsOsOsOs 辉钼矿：由于其Re含量较高，Os含量极，致使具有极高的Re/Os比值，且其初始Os可以忽略不计，因此辉钼矿Re-Os定年既可以对单个样品进行定年，也可以运用等时线方法定年。187Os=187Re(et-1)1

16、(Re1861870186187186187+tteOsOsOsOsOs 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。1）碳的地球化学2）碳的同位素12C 98.89%13C 1.108%14C 1.210-10%自然界14C的存在形式：CO2；14C的储存库：大气圈、水圈和生物圈。碳在周期表中第IV族，原子量12.0038amu，原子序数Z=6，外层4电子，共价化合物；碳元素存在形式：大气圈（CO2）；水圈（HCO3-、H2CO2等）；自然界：金刚石和石墨6.14C法年龄测定6.14C法年龄测定 40 a，因而进入岩石圈的经过一定时期将耗尽。