第四讲同位素地球化学 Rb-Sr法
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变质事件与Rb-Sr同位素体系重置
Hypothetical behaviour of a partially disturbed minera-whole-rock isochron. Evolution lines: 1 = period from igneous crystallisation to metamorphism; R = metamorphic re-homogenisation; 2 = period from metamorphism to present day.
4.4 Sr定义与UR参数
(87Sr/86Sr)UR=0.7045 (87Rb/86Sr)UR=0.0827
原始地幔演化 起点，BABI
亏损地幔演化方向
Estimated Rb and Sr isotopic evolution of the Earth’s upper mantle, assuming a large-scale melting event producing granitic-type continental rocks at 3.0 Ga b.p.
同位素等时线年龄质量评价
观察等时线质量的直观方法是样品间分布的线性程度，早期采 用的方法是基于多元统计中的最小二乘法线性拟合，根据获得 的相关系数(1)，通常认为越接近于1越好；
相关系数易于受个别数据点影响，难以充分反映等时线线性质 量、样品间初始值不均一性和实验误差等的影响，据此 York(1966,1967)提出了用MSWD判别包括等时线年龄和表面年 龄均值等在内的年龄数据质量的指标；
.67 .01
.1
1
10
K2O/Na2O
.67 100 .001
.01
.1
1
87Rb/86Sr
北秦岭新元古代宽 80 坪群玄武岩Rb-Sr
同位素体系开放
10
4.8 沉积作用和成矿作用定年
对成岩过程形成的自生矿物进行分析，可获得沉积岩的沉积年龄
毛里塔尼亚[非洲] 前寒武纪地层RbSr法定年： 图例： 页岩全岩 伊利石 碳酸盐
After Wilson (1989). Igneous Petrogenesis. Unwin Hyman/Kluwer.
岩浆过程与 87Sr/86Sr比值
MORB
不同岩浆岩87Sr/86Sr比值
MORB
0.7025
Continents
0.7119
Ocean Islands
>0.704
vs.
Meteorites
rbsr同位素定年方法的局限性由于rbsr元素的易活动性当所研究的地质体发生过有流体作用参与的变质作用后其同位素体系可能发生不同程度的开放若开放过程不能导致体系内同位素组成均一化时其结果可能是无地质意义的混合线或根本不能形成等时线
第四讲
Rb-Sr同位素体系
Zoned Plagioclase
内容提要
B
Rb-Sr混合线年龄
P(母体) D(子体) Di(分母子体)
(ppm) (ppm)
(ppm)
P/Di
18
37
39
0.462
16
32
32
0.500
14
27
25
0.519
12
22
18
0.667
10
17
11
0.909
Mixing line
No mixing
D/Di
0.949 1.000 1.080 1.222 1.545
判别混合线的方法
Pseudo-isochron diagram for Tertiary (第三纪) lavas, caused by crystal fractionation and crustal contamination (Modified after Beckinsale et al., 1978)
母类矿物和K-长石中形成类质同象。
Rb-Sr元素地球化学特征
Sr 为+2价碱土金属(第二主族)，离子半径也较大(1.13Å)， 故也被多数矿物排斥于结构之中；
Sr也溶于水和含水相中，但溶解程度弱于元素Rb； Sr属中等程度不相容元素； Sr的离子半径与元素Ca (0.99Å)相似，易于与Ca 在长石
Rb-Sr反等时线 Provost, 1990
原 岩
全岩等时线封
年 闭，获得了原
岩年龄；
龄 长石和黑云母 与 矿物发生开放，
与全岩样品构
变 成了变质事件
等时线。
质 年 龄
peak metamorphic temperature closure or ‘blocking’ temperature
apparent closure age
87Sr 86Sr
( ) 87Sr 86Sr o
c1
t1
a1
b1
a
b
c
to
87Rb 86Sr
Rb-Sr矿物-全岩等时线示意图
注意含钾矿物与不含钾矿物在等时线上的位置
Rb-Sr isochron for the Eagle Peak Pluton, central Sierra Nevada Batholith, California, USA. Yellow circles are whole-rock analyses, red circles are hornblende separates. The regression equation for the data is also given. After Hill et al. (1988). Amer. J. Sci., 288-A, 213-241.
0.699
* Tip： 87Rb趋于在岩浆中富集
4.5 Sr模式年龄
由于受测试技术限制，早期Rb-Sr法仅限于对强富Rb矿物 的分析，如锂云母。因这类矿物具极高的87Sr/86Sr比值， 通常统一用0.712作为样品的初始比值也不会对测年结果带 来明显误差。由此对单一样品进行Rb-Sr同位素分析，并 假定其初始比值而计算获得的年龄称Sr模式年龄。
封闭温度与封闭年龄
Schematic diagram to show variation of temperature and Sr isotope ratio with time in a mineral cooling from a regional metamorphic event. T0 = peak metamorphic temperature; TC = closure or ‘blocking’ temperature; tC = apparent closure age. After Dodson (1973).
随分析技术提高，测试对象扩大到了白云母、黑云母、钾 长石等矿物，但研究者发现用0.712作为统一的Sr同位素初 始比值带来了样品间的矛盾(Compston and Jeffery, 1959)， 催生了具时代意义的同位素体系等时线方法(Nicolaysen, 1961)。
4.6 BABI
BABI定义： Basaltic Achondrite Best Initial = Bulk Earth, undifferentiated
Rb、Sr元素地球化学特征 Rb-Sr同位素体系地球化学特征 Rb-Sr同位素定年原理 Rb-Sr定年优点与局限性 Rb-Sr同位素应用实例
4.1 Rb-Sr元素地球化学特征
Rb 为电价+1的碱金属 (第一主族)由于其离子半径(1.48Å)
较大，常被排除于多数矿物结构中；
Rb易溶于水和含水相中，故具有较强的活动性； Rb是强不相容元素之一(ultra-incompatible) ； Rb的离子半径与元素K类似 (1.33Å)，因此常与元素K在云
同 位 素 封 闭 温 度
(87Sr/86Sr)i
(87Sr/86Sr)i
.72
.72
.71
.71
.70
.70
.69
.69
.68
.68
.67
.67
40 45 50 55 60 65 70 75 80 0
.72
SiO2 (wt%)
.72
20
40
60
Mg#
.71
.71
.70
.70
.69
.69
.68
.68
t=Time of crystallization
Rb/Sr= Rb/Sr=1.2 0.8 ROCK
(87Sr/86Sr) i= 0.702
Rb/Sr=0.6
Rb-Sr同位素等时线年龄原理示意图
After some time increment (t0 t1) each sample loses some 87Rb and gains an equivalent amount of 87Sr
4.3 Rb-Sr衰变方程与等时线
87Rb的半衰期为48.8 By，即87Rb=1.4210-11 yr-1
Re-Sr法年代学方程：
幔源岩浆具有与地幔相 同的Sr初始同位素比值
形成的岩石与地幔的初 始同位素比值相同，但 不同的结晶矿物却具有 不同的Rb/Sr比值
MANTLE 87Sr/86Sr = 0.702
Rb/Sr ratios for various rocks:
Ultrabasic Basaltic Granites Shale Sandstone
0.2 0.06 0.25-1.7 0.46 3
玄武岩与砂岩的Rb/Sr比值相差达50倍!!
What accounts for rocks?
Wendt and Carl(1991)提出MSWD与参与统计的数据点数量有 关 ： 在 95% 的 置 信 度 水 平 上 ， 当 数 据 点 n=5 时 ， 可 接 受 的 MSWD值为0.2-2.2，当 n=25时，MSWD=0.6-1.5。
Sample source
A ¾A+¼B ½A+½B ¼A+¾B
4.2 Rb-Sr同位素体系特征
87Rb=27.83% 85Rb=72.17%
88Sr=82.53% 87Sr=7.04% 86Sr=9.87% 84Sr=0.56%
Rb由两个同位素组成，其 中87Rb经-衰变成为87Sr。 85Rb为稳定同位素。
Sr由四个同位素组成，均为稳 定同位素，其中87Sr为87Rb的放 射成因同位素。
中形成类质同象。Sr-Ca发生类质同象的其它矿物有方解 石、石膏、磷灰石和榍石； Sr趋于在地壳中发生相对于地幔的富集作用，但其富集程 度小于Rb。
玄武岩批次部分熔融过程 中，熔体Rb、Sr含量随 部分熔融程度F值的变化
Change in the concentration of Rb and Sr in the melt derived by progressive batch melting of a basaltic rock consisting of plagioclase, augite, and olivine. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology.
现在采用值 = 1.42 10-11
4.390.26 Byr 0.698995
Tip：
通过从Juvinas 和Ibitira陨石中分 离单矿物进行测 量后 ( Birck&Allegre，
1978)，等时线年龄 质量显著提高： 4.57 ± 0.13 Ga. 从而与其它年代 学方法结果可对 比。
Rb subsitutes for K in K-bearing minerals, while Sr substitutes for Ca in Ca-bearing minerals;
Rb and Sr are fractionated by igneous processes: Rb tends to prefer melt (more incompatible than Sr).
玄武质无球粒陨石等时线年龄与BABI
Papanastassiou and Wasserburg (1969)
橄长岩样品
玄武岩样品
451070 Ma
386010 Ma
月球Rb-Sr等时线年龄
4.7 Rb-Sr体系与变质作用
Tip：
变质热事件 使钾长石和 斜长石发生 了Sr同位素 重置，即所 有矿物Sr同 位素组成均 一化。但作 为全岩体系， 其Sr同位素 组成则相对 保持封闭。
MSWD 为 加 权 离 差 均 方 值 (mean square of the weighted deviates)的缩写。其判别意义为：
a. MSWD1时，数据的离散性全部由实验分析误差引入
b. MSWD<1时，实验误差被高估(包括分析误差被人为放大)
c. MSWD>1时，实验误差被低估或存在地质意义的离散原因(如 不满足等时线条件、不同期次的样品参加了统计等)
Hypothetical behaviour of a partially disturbed minera-whole-rock isochron. Evolution lines: 1 = period from igneous crystallisation to metamorphism; R = metamorphic re-homogenisation; 2 = period from metamorphism to present day.
4.4 Sr定义与UR参数
(87Sr/86Sr)UR=0.7045 (87Rb/86Sr)UR=0.0827
原始地幔演化 起点，BABI
亏损地幔演化方向
Estimated Rb and Sr isotopic evolution of the Earth’s upper mantle, assuming a large-scale melting event producing granitic-type continental rocks at 3.0 Ga b.p.
同位素等时线年龄质量评价
观察等时线质量的直观方法是样品间分布的线性程度，早期采 用的方法是基于多元统计中的最小二乘法线性拟合，根据获得 的相关系数(1)，通常认为越接近于1越好；
相关系数易于受个别数据点影响，难以充分反映等时线线性质 量、样品间初始值不均一性和实验误差等的影响，据此 York(1966,1967)提出了用MSWD判别包括等时线年龄和表面年 龄均值等在内的年龄数据质量的指标；
.67 .01
.1
1
10
K2O/Na2O
.67 100 .001
.01
.1
1
87Rb/86Sr
北秦岭新元古代宽 80 坪群玄武岩Rb-Sr
同位素体系开放
10
4.8 沉积作用和成矿作用定年
对成岩过程形成的自生矿物进行分析，可获得沉积岩的沉积年龄
毛里塔尼亚[非洲] 前寒武纪地层RbSr法定年： 图例： 页岩全岩 伊利石 碳酸盐
After Wilson (1989). Igneous Petrogenesis. Unwin Hyman/Kluwer.
岩浆过程与 87Sr/86Sr比值
MORB
不同岩浆岩87Sr/86Sr比值
MORB
0.7025
Continents
0.7119
Ocean Islands
>0.704
vs.
Meteorites
rbsr同位素定年方法的局限性由于rbsr元素的易活动性当所研究的地质体发生过有流体作用参与的变质作用后其同位素体系可能发生不同程度的开放若开放过程不能导致体系内同位素组成均一化时其结果可能是无地质意义的混合线或根本不能形成等时线
第四讲
Rb-Sr同位素体系
Zoned Plagioclase
内容提要
B
Rb-Sr混合线年龄
P(母体) D(子体) Di(分母子体)
(ppm) (ppm)
(ppm)
P/Di
18
37
39
0.462
16
32
32
0.500
14
27
25
0.519
12
22
18
0.667
10
17
11
0.909
Mixing line
No mixing
D/Di
0.949 1.000 1.080 1.222 1.545
判别混合线的方法
Pseudo-isochron diagram for Tertiary (第三纪) lavas, caused by crystal fractionation and crustal contamination (Modified after Beckinsale et al., 1978)
母类矿物和K-长石中形成类质同象。
Rb-Sr元素地球化学特征
Sr 为+2价碱土金属(第二主族)，离子半径也较大(1.13Å)， 故也被多数矿物排斥于结构之中；
Sr也溶于水和含水相中，但溶解程度弱于元素Rb； Sr属中等程度不相容元素； Sr的离子半径与元素Ca (0.99Å)相似，易于与Ca 在长石
Rb-Sr反等时线 Provost, 1990
原 岩
全岩等时线封
年 闭，获得了原
岩年龄；
龄 长石和黑云母 与 矿物发生开放，
与全岩样品构
变 成了变质事件
等时线。
质 年 龄
peak metamorphic temperature closure or ‘blocking’ temperature
apparent closure age
87Sr 86Sr
( ) 87Sr 86Sr o
c1
t1
a1
b1
a
b
c
to
87Rb 86Sr
Rb-Sr矿物-全岩等时线示意图
注意含钾矿物与不含钾矿物在等时线上的位置
Rb-Sr isochron for the Eagle Peak Pluton, central Sierra Nevada Batholith, California, USA. Yellow circles are whole-rock analyses, red circles are hornblende separates. The regression equation for the data is also given. After Hill et al. (1988). Amer. J. Sci., 288-A, 213-241.
0.699
* Tip： 87Rb趋于在岩浆中富集
4.5 Sr模式年龄
由于受测试技术限制，早期Rb-Sr法仅限于对强富Rb矿物 的分析，如锂云母。因这类矿物具极高的87Sr/86Sr比值， 通常统一用0.712作为样品的初始比值也不会对测年结果带 来明显误差。由此对单一样品进行Rb-Sr同位素分析，并 假定其初始比值而计算获得的年龄称Sr模式年龄。
封闭温度与封闭年龄
Schematic diagram to show variation of temperature and Sr isotope ratio with time in a mineral cooling from a regional metamorphic event. T0 = peak metamorphic temperature; TC = closure or ‘blocking’ temperature; tC = apparent closure age. After Dodson (1973).
随分析技术提高，测试对象扩大到了白云母、黑云母、钾 长石等矿物，但研究者发现用0.712作为统一的Sr同位素初 始比值带来了样品间的矛盾(Compston and Jeffery, 1959)， 催生了具时代意义的同位素体系等时线方法(Nicolaysen, 1961)。
4.6 BABI
BABI定义： Basaltic Achondrite Best Initial = Bulk Earth, undifferentiated
Rb、Sr元素地球化学特征 Rb-Sr同位素体系地球化学特征 Rb-Sr同位素定年原理 Rb-Sr定年优点与局限性 Rb-Sr同位素应用实例
4.1 Rb-Sr元素地球化学特征
Rb 为电价+1的碱金属 (第一主族)由于其离子半径(1.48Å)
较大，常被排除于多数矿物结构中；
Rb易溶于水和含水相中，故具有较强的活动性； Rb是强不相容元素之一(ultra-incompatible) ； Rb的离子半径与元素K类似 (1.33Å)，因此常与元素K在云
同 位 素 封 闭 温 度
(87Sr/86Sr)i
(87Sr/86Sr)i
.72
.72
.71
.71
.70
.70
.69
.69
.68
.68
.67
.67
40 45 50 55 60 65 70 75 80 0
.72
SiO2 (wt%)
.72
20
40
60
Mg#
.71
.71
.70
.70
.69
.69
.68
.68
t=Time of crystallization
Rb/Sr= Rb/Sr=1.2 0.8 ROCK
(87Sr/86Sr) i= 0.702
Rb/Sr=0.6
Rb-Sr同位素等时线年龄原理示意图
After some time increment (t0 t1) each sample loses some 87Rb and gains an equivalent amount of 87Sr
4.3 Rb-Sr衰变方程与等时线
87Rb的半衰期为48.8 By，即87Rb=1.4210-11 yr-1
Re-Sr法年代学方程：
幔源岩浆具有与地幔相 同的Sr初始同位素比值
形成的岩石与地幔的初 始同位素比值相同，但 不同的结晶矿物却具有 不同的Rb/Sr比值
MANTLE 87Sr/86Sr = 0.702
Rb/Sr ratios for various rocks:
Ultrabasic Basaltic Granites Shale Sandstone
0.2 0.06 0.25-1.7 0.46 3
玄武岩与砂岩的Rb/Sr比值相差达50倍!!
What accounts for rocks?
Wendt and Carl(1991)提出MSWD与参与统计的数据点数量有 关 ： 在 95% 的 置 信 度 水 平 上 ， 当 数 据 点 n=5 时 ， 可 接 受 的 MSWD值为0.2-2.2，当 n=25时，MSWD=0.6-1.5。
Sample source
A ¾A+¼B ½A+½B ¼A+¾B
4.2 Rb-Sr同位素体系特征
87Rb=27.83% 85Rb=72.17%
88Sr=82.53% 87Sr=7.04% 86Sr=9.87% 84Sr=0.56%
Rb由两个同位素组成，其 中87Rb经-衰变成为87Sr。 85Rb为稳定同位素。
Sr由四个同位素组成，均为稳 定同位素，其中87Sr为87Rb的放 射成因同位素。
中形成类质同象。Sr-Ca发生类质同象的其它矿物有方解 石、石膏、磷灰石和榍石； Sr趋于在地壳中发生相对于地幔的富集作用，但其富集程 度小于Rb。
玄武岩批次部分熔融过程 中，熔体Rb、Sr含量随 部分熔融程度F值的变化
Change in the concentration of Rb and Sr in the melt derived by progressive batch melting of a basaltic rock consisting of plagioclase, augite, and olivine. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology.
现在采用值 = 1.42 10-11
4.390.26 Byr 0.698995
Tip：
通过从Juvinas 和Ibitira陨石中分 离单矿物进行测 量后 ( Birck&Allegre，
1978)，等时线年龄 质量显著提高： 4.57 ± 0.13 Ga. 从而与其它年代 学方法结果可对 比。
Rb subsitutes for K in K-bearing minerals, while Sr substitutes for Ca in Ca-bearing minerals;
Rb and Sr are fractionated by igneous processes: Rb tends to prefer melt (more incompatible than Sr).
玄武质无球粒陨石等时线年龄与BABI
Papanastassiou and Wasserburg (1969)
橄长岩样品
玄武岩样品
451070 Ma
386010 Ma
月球Rb-Sr等时线年龄
4.7 Rb-Sr体系与变质作用
Tip：
变质热事件 使钾长石和 斜长石发生 了Sr同位素 重置，即所 有矿物Sr同 位素组成均 一化。但作 为全岩体系， 其Sr同位素 组成则相对 保持封闭。
MSWD 为 加 权 离 差 均 方 值 (mean square of the weighted deviates)的缩写。其判别意义为：
a. MSWD1时，数据的离散性全部由实验分析误差引入
b. MSWD<1时，实验误差被高估(包括分析误差被人为放大)
c. MSWD>1时，实验误差被低估或存在地质意义的离散原因(如 不满足等时线条件、不同期次的样品参加了统计等)