同位素地球化学6课件

图22 Harquahala花岗岩样品TCHUR模式年龄与离Harquahala冲 断层距离的函数关系
镁铁质杂岩的未扰动的2.91Ga的等时线年龄。 Nelson和DePaolo(1985)试图通过考虑有限的地壳
深熔事件壳内重熔条件下确定对模式年龄扰动的上限。 从地壳熔融模式(Hanson,1978)，他们估计由壳内熔融 过程可能引起的最大量Sm/Nd分馏(Δ)是先存样品 Sm/Nd与球粒陨石Sm/Nd间分馏的20%。DePaolo和 Wasserbugr(1976)定义该分馏因子为：
Nelson和DePaolo(1985)对美国大陆的研究发现Nd模式年龄 显著老于火成岩结晶年龄，导致中部大陆下元古界增长速率估
计的大量增加。这些数据，结合近来发表的加拿大地盾的年龄， 导致估计的北美克拉通平均年龄的激增。该图形得到Patchett和 Arndt(1986)的进一证实，他们进一步放大了北美新增下元古界 (1.9Ga)地壳基底的估计面积。这便得到了随时间的地壳形成正 弦曲线，表明了出现于地球历史的中期新地壳增生的最大速率 (图26，曲线4)。 二、沉积物源区年龄
图20 分水岭 内河流颗粒 物Nd模式年 龄对面积加 权的平均岩 石地壳存留 年龄图解
所示数据仅表示 汇水盆地中的火 成—变质岩。
为了看一看深海浊积岩是否显示类似的均一化程度，McLennan 等(1989)对比了来自几个不同构造环境的浊积岩中沙和泥质对 的模式年龄(图21)。他们的发现是相当可变的，一些对显示出 模式年龄的良好吻合，而其它的不吻合。这些变化可能反映了 沉积物的岩石学上组成。具小于5%岩屑火山碎屑的成熟被动边 缘沉积物与具大约90%的岩屑火山碎屑两者都显示了沙和泥质 部分模式年龄的良好吻合(实心符号)。这些均一类型的沉积物 因此可以给出有用的模式年龄限制。相反，具中等分数火山碎 屑物质的沉积物给出不一致的模式年龄(空心符号)。后者在大 陆边缘占绝大多数，可归结为古老大陆碎屑与年轻火山岩碎屑 在不同颗粒大小的部分中具有不同的混合比。大陆弧因此对地 质事件提供差的模式年龄限制。
由于DePaolo(1981)的元古代亏损地幔的发现，新的分析激 励着亏损地幔源演化的几个重新解释。例如，DePaolo(1983) 利用新发表的前寒武纪玄武岩数据计算了具有正弦曲线形式的 更亏损地幔演化曲线。然而，晚太古代正弦曲线中的衰退不久
图18 两个最广泛使用的亏损地幔演化模式的Nd随时间演化图解
(DePaolo,1981)。来自爱达荷Springs 组的四个变火山岩和
两个紫苏花岗质麻粒岩用Sm-Nd等时线法测定了年龄。另外，
对以前用Rb-Sr全岩法测定过年龄的三个深成岩(Boulder
Creek，Silver Plume和Pikes Peak花岗岩类)也作了Nd同位 素和Sm/Nd测定。所有这些样的初始143Nd/144Nd比值都投点在
图16 月球岩石表现出的月球不同库间非常早期Sm/Nd分馏造成的 Nd演化图
该模式中缺少元古代的Nd同位素数据是其严重的弱点，因
为它留下了太古代CHUR与现代MORB亏损源(=增高的Sm/Nd比值)
数据之间的空缺，及两者之间关系的问题。填补此空缺的重要
阶段是对科罗拉多Front Range的元古代变质模式文章的引用率变化
一、沉积作用 侵蚀作用中的Sm-Nd系统行为可通过对比由河流携带颗粒计
算的模式年龄与分水岭区沉积物源区平均地质年龄的对比来加 以考察。Goldstein和Jacobsen(1988)完成了美洲河流中颗粒的 此类研究。他们发现流过原始火成岩的河流携带精确反映源区 地壳存留年龄的沉积物(图20)。流过沉积岩分水岭的河流没有 适当加以证明，因为它们源区的地壳存留年龄还没有适当地定 量化。
图17的εNd对时间图上。 爱达荷Springs变火成岩集中于εNd(t)=+3.7±0.3，表明
它们在1.8Ga相对于CHUR来自亏损地幔源。Boulder Creek样
品 也 具 正 的 εNd 值 (+1.7 到 +3.5) ， 而 Silver Plume 和 Pikes Peak 花岗岩具不断降低的εNd值，位于爱达荷Springs地壳平 均143Nd/144Nd演化线上，表明它们包含了大量1.8Ga的基底重
§4.4 地壳增长问题 究竟地壳在地质时间内一直是增长的还是大约维持
恒定的体积的问题是地质学中最基本的问题之一，但 要作出结论性的回答证明是困难的。因此，这里讨论 Nd同位素证据三个最重要的的方面。
一、地壳增生年龄 透过年轻的热事件并测定大陆岩石形成年龄的Sm-Nd方法的
能力使得该方法理想地适用于作出现今地壳基底的年龄分布图。 这便得到了不考虑地壳再循环进入地幔全部时间的大陆增长线。
苏格兰西北Lewisian麻粒岩表明即使是在麻粒岩相变 质作用中全岩Sm-Nd模式年龄抗明显的重启动。英云闪长 质片麻岩10点的Sm-Nd等时线得到的年龄为2.60Ga，及相 对于CHUR-2.4ε[t]的初始比值。该等时线被认为测定了 变质事件。然而，这些相同的片麻岩TDM模式年龄落在 2.84-3.04Ga的范围内，平均为2.93Ga(图23)。这些年龄 被变质作用轻微分散，但仍然给出了非常接近Drumbeg
Nd (T ) 0.25T 2 3T 8.5
使用该亏损地幔曲线计算的Sm-Nd模式年龄记为TDM。DePaolo认 为TDM模式年龄比TCHUR更精确地指示“地壳形成年龄”。例如， McCulloch和Wasserburg的格林威尔杂岩异常低的0.8GaTCHUR被 修改成1.3GaTDM年龄，与得克萨斯Llano抬升的年龄相一致，被 解释为相同省的一个部分。
由来自加拿大和南非的太古代科马提岩的分析数据充填。随后，
Nelson和DePaolo(1984)根据元古代玄武岩的成分和由Claoue-
Long等(1984)计算出的Kambalda在3.2Ga时非常亏损的+3εNd值， 建议使用上凸的亏损地幔曲线。随后的研究表明Kambalda的年
龄是错误的，但该曲线由太古代其它高εNd值的发现可得以恢 复。
沉积作用中Sm-Nd系统的行为可通过对比沉积物不同大小部 分的Nd模式年龄对比加以证明。早期对来自亚马逊河底部沉积 物的研究(Goldstein等，1984)发现不同大小部分给出仅非常小 范围的地壳存留年龄(1.54-1.64Ga)，尽管总Nd含量上具大的范 围(17-47ppm)。Awwiller和Mack(1991)对来自Rio Grande和密 西西比河的泥与沙级沉积物发现了类似的模式年龄吻合。然而， 大河底部的沉积物在显示良好的化学均一性上可能不是典型的。
壳内熔融在模式年龄上引起相当小的扰动的证据 激励着利用花岗质深成岩对相组合的围岩测定地壳形 成年龄(假定花岗岩是这些围岩的深熔产物)。该途径 的优点是利用最小数量的分析对大区域基底填图，因 为每个深成岩体可预期是大量地壳成分的平均。 Nelson和DePaolo(1985)很大影响地利用它填出了美国 中部巨型带的地壳抽提年龄(图25)。因为显生宙覆盖 模糊了大部分美国中部基底， 仅能从钻孔岩心或钻孔 岩片(chips)进行定年，对于此应用该方法是合适的。
f Sm / Nd
147Sm/144Nd sample 0.1967
1
用此表示法，由壳内分馏事件引入的亏损地幔模式年龄的 误差由下式给出：
ErrTDM
f
f /s Sm / Nd
f
f /D Sm / Nd
(TCF Tm)
图23钕同位演化图，表示单个英云闪长质片麻岩的Sm-Nd演化线
这里TCF是真实的地壳形成年龄，Tm是部分熔融事件的 年龄。这种误差放大如图24所示。此问题通过分析熔 融年龄相当接近于它们形成年龄(<300Ma?)的样品可最 小化。
如上面所总结的，Sm-Nd模式年龄方法的主要应用之一就是 测定所谓的“地壳形成”或“地壳抽提”年龄。然而，当长期 或复杂的地质历史没有更直接测定地壳年龄方法时，Sm-Nd法最 常被应用。当应用到全岩系统时，Sm-Nd模式年龄方法的力量之 一就是它提供了透过侵蚀、沉积、高级变质作用甚至可能重新 启动其它的测年工具地壳熔融事件的机会。然而，这些过程可 能引起模式年龄解释的复杂性。因此，为了预测复杂环境中的 行为，在很好限制的条件下考察Sm-Nd系统学变得很重要。
熔成分。
图17 相对于亏损地幔模式的科罗拉多数据随时间的Nd演化图
DePaolo对爱达荷Springs和现代岛弧数据拟合了一条二次曲 线(图18)，代表了钙碱性岩浆作用源区的不断亏损的Nd同位 素演化。该曲线在早太古代紧靠CHUR演化线，但向现在不断 偏离，相对于CHUR，在时间T，该亏损源的成分由下式给出：
图24 在壳内熔融过程中由于Sm/Nd分馏引起的模式年龄的可能 误差的Nd同位素系统学示意图
图25 美国Nd模式年龄分区图 M：Mojavia地体，P：Penokean地体
然而，该方法的弱点已揭示出来了，模式年龄结果并不对 应于已知的火成岩结晶年龄代表的事件。在Bennet中2.0-2.3Ga 模式年龄及DePaolo的“Penokean”与“Mojavia”地体证明了 此问题。它们可能代表了与大量太古代重熔地壳与元古代幔源 岩浆混合产生混合模式年龄，其模式年龄对地壳抽提年龄没有 意义。
图21 不同构造 环境中深海浊 积岩中泥质对 砂质亏损地幔 模式年龄图解
二、变质作用 Stille和Clauer(1986)及Bros等(1992)已经证明了炭
质(黑色)页岩中在显微镜下的粘土矿物中Sm-Nd系统学 可由成岩作用重新启动。他们证明在一些情况下，次显 微大小的颗粒能产生Sm-Nd等时线，他们解释为测定了 成岩作用的年龄。如果粘土矿物的Rb-Sr定年由碎屑继 承性可被扰动，这种年龄的精确性还有待证明。然而， 矿物学尺度上的REE成岩活化并不意味着全岩尺度上SmNd系统的开放。Awwiller和Mack(1991)根据来自得克萨 斯钻孔样品的的Sm-Nd分析认为这种情况是可以出现的。
与 成 岩 作 用 中 Sm-Nd 开 放 系 统 的 认 识 相 反 ， Barovich 和Patchett(1992)证明即使在严重的变质变形中花岗质 岩的全岩Sm-Nd系统保持未受扰动。他们研究了切过元
古代Harquahala花岗岩的60m宽的中生代韧性剪切带。发 现在两个不同的剖面中冲断面1m的范围内，变形增加的 花岗岩样品产生围绕1.58Ga的窄范围TCHUR模式年龄(图 22)。即使在显示斜长石广泛的绢云母化和大量绿帘石增 加的样品中封闭系统行为仍然保持。仅在离主冲断面小 于1m的超糜棱岩中观察到模式年龄可减少150Ma，可能是 由于紧挨冲断面引起方解石脉和强烈蚀变的高流体能量 造成的。
的地壳抽提年龄这并不是最合适的地幔模式，现今具有比扩张
脊较少亏损的Nd同位素特征。
当不同地理区的新数据可利用时，就存在一种亏损地幔模
式增殖的趋势。然而，检查文献表明DePaolo(1981)和
Goldstein等(1984)的模式一直由其他研究者最广泛应用。由
对此二研究引文率对比从图19说明了这种应用，与两篇控制文 章：Nelson和DePaolo(1984),上面讨论的及Allegre和 Rousseau(1984) 相比,提出了类似DePaolo(1981)的曲线状地幔 演化线。对DePaolo(1981)引文的持久性表明了该地幔模式的广 泛使用性。因此，希望TDM和TCR表示法应限于DePaolo(1981)和 Goldstein等(1984)模式，而其它缩写用于表示不同的模式。 §4.3模式年龄与地壳过程
对DePaolo(1981)模式的另一重要选择是Goldstein等在
1984年提出的(图18)。该模式假定从4560MaεNd=0到 0MaεNd=+10(MORB成分)地幔是线性亏损的，并对来自美国西南 及格陵兰的早元古代绿岩提供了良好的拟合。在这些岩套中最
亏损的εNd值可能是裂谷环境中的几乎没有地壳混染的溢流玄 武岩。然而，对于计算产生于弧环境中的英云闪长质造壳岩石