Lu_Hf同位素体系对若干基础地_省略_问题的新制约_之一_地球早期演化_凌文黎

Lu_Hf同位素体系对若⼲基础地_省略_问题的新制约_之⼀_地球早期演化_凌⽂黎
Lu-Hf同位素体系对若⼲基础
地质问题的新制约(之⼀)
——地球早期演化①
凌⽂黎　程建萍
(中国地质⼤学地球科学学院,武汉,430074)
摘　要　Lu-Hf同位素⽅法已趋成熟,主要得益于其化学⽅法的极⼤改进和与之配套的⾼电离率质谱仪的使⽤。

Lu-Hf 同位素⽅法在地球的早期性质研究中表明,部分古太古代⽚⿇岩Sm-Nd同位素体系所记录的早期地幔的“极度”亏损,实际是对其同位素体系热扰动的反映;关于⼤陆地壳的⽣长模式,⽯英岩锆⽯Lu-Hf同位素特征⽀持了幕式增⽣的观点。

关键词　Lu-Hf法　地质应⽤　地球早期演化　新制约
关键词　P597
在同位素定年和⽰踪研究的新⽅法中,与Re-Os同位素体系⼀样,Lu-Hf同位素体系近年来在地质研究中不断推⼴应⽤,其成果受到了⾼度重视。

在我国,Re-Os同位素年代学实验室(如中国地质科学院北京地质研究所同位素室和中国科学技术⼤学地球与⾏星科学系同位素室)已初步建⽴,并取得了初步的研究成果。

然⽽,Lu-Hf 同位素实验室及Lu-Hf同位素地质应⽤在我国⽬前仍属空⽩。

笔者⽬前有幸与法国⾥昂师范⼤学(ENSL)⽣命与地球科学系同位素实验室开展⼤别地区U HP岩类的Lu-Hf同位素合作研究,现就所了解到的有关Lu-Hf同位素体系的实验技术及地质研究动态作综述介绍。

1　Lu-Hf同位素实验技术发展简况
Lu元素由两个同位素175Lu和176Lu组成。

　176Lu是放射性同位素,分别以U-和电⼦捕获⽅式衰变成176Hf和176Yb。

由于后⼀种衰变形式仅占总衰变量的较⼩百分⽐,在Lu-Hf放射性体系176Lu半衰期定值中常被忽略〔1〕。

Lu-Hf同位素实验研究的最早期⼯作始于1958年,利⽤已知形成时代的富含重稀⼟的硅铍钇矿单矿物
(gado linite)中Lu含量⾼达n×10-3的特点,Herr 等〔2〕对　176Lu同位素的放射性半衰期进⾏了测定。

到了70年代初,Boudin和Deutsch〔3〕重复了此项⼯作,提出了(3.3±0.5)×1010a的半衰期定值。

Faure〔4〕对所有的物理⽅法定值进⾏了优化平均,提出了(3.5±0.2)×1010a的估计值。

在此期间,也开展了将Lu-H f同位素进⾏地质应⽤的偿试〔5,6〕,但这⼀努⼒因⽆法实现Hf与含⼲扰同位素的其它元素之间的完全分离纯化,⽽使Hf 同位素的测定遇到困难。

直到1980年Patchett和Tatsumoto〔7〕在Lu-Hf同位素的分离和纯化实验技术⽅⾯实现了突破后,Lu-Hf同位素⽅法才开始在真正意义上进⼊了地质应⽤领域〔8～12〕。

这⼀时期的Lu-Hf同位素⽅法在样品的化学制备⽅⾯应⽤了Hf元素三次离⼦交换技术,⽽在Lu,Hf同位素的质谱测定技术上采⽤三带灯丝。

同时,Patchett和Tatsumo to〔8〕利⽤对10个已知年龄(45.5×108a)的⽆球粒陨⽯的Lu-Hf同位素测定结果,重新厘定了176Lu的半衰期为(3.53±0.14)×1010a,176 Lu的衰变常数为(1.98±0.08)×10-11a-1。

稍后他们将该值修正为(1.94±0.07)×10-11a-1〔10〕。

值得指出的是,这⼀由年代学⽅法得到的定值与
第18卷　第1期1999年 3⽉
地质科技情报
Geological Science a nd Tech nolog y Informa tio n
Vol.18　No.1
M ar.　1999
①国家⾃然科学基⾦(49603044,49794043)、中国地质⼤学“211⼯程”基⾦及“壳幔体系组成、物质交换及动⼒学开放研究实验室”基
⾦资助项⽬成果
第⼀作者简介:凌⽂黎,男,1962年9⽉⽣,副教授,主要从事同位素地球化学、区域地球化学⽅⾯的教学和科研⼯作
收稿⽇期:1998-11-23 编辑:曲梅兰
早期通过U射线测量所获得的176Lu的(U-衰变)半衰期值⼗分相近。

由于年代学⽅法定值应包括了U-和电⼦捕获衰变的综合结果,这再次表明176 Lu电⼦捕获衰减对176Lu衰变总量的影响可以忽略。

由于Hf的电离温度较⾼,在传统的热离⼦质谱(TIM S)上
对普通样品的Hf同位素进⾏精确测定⼗分困难,这极⼤地妨碍了Lu-Hf同位素⽅法在地质研究中的推⼴应⽤。

有学者为此以研制发射剂的⽅法试图解决Hf元素难于电离的问题〔13〕,但效果并⾮⼗分理想。

尽管Lu-H f同位素在实验⽅法上存在相当的难度,但在若⼲重⼤地质问题的研究(如地壳的早期⽣长模型、早期地幔的性质、地幔组成单元等)中所表现出来的不可替代的独特作⽤,极⼤地推动了Lu-Hf同位素在实验技术和地质应⽤两⽅⾯的持续发展,前者表现在Lu-Hf同位素分离纯化技术的完善和热⼆次电离质谱分析技术(hot-SIM S)及多接收器双耦合等离⼦体质谱(M C-ICP-M S)〔14〕于90年代中晚期趋于成熟。

本⽂中将重点讨论Lu-Hf同位素的地质应⽤新成果,并将Lu-Hf同位素体系相关参数列于本⽂附录,Lu-Hf同位素的最新实验⽅法与技术参见⽂献〔15〕。

2　地球早期的分异作⽤与地壳⽣长
对地球形成和演化的认识离不开对早期地球历史的了解,尤其是占地球历史近⼀半时间的太古宙。

由于太古宙岩⽯不仅保存的数量少,且多经历了⾼级变质作⽤。

因此⼈们总是选择那些被认为是受后期变质作⽤影响较⼩的地球化学⽰踪剂作为研究⼿段,⽽Sm-Nd同位素在其中具重要地位。

多数⼈认为,在变质作⽤影响下,Sm-Nd同位素体系在所有⼴泛应⽤的同位素体系中具最强的封闭性,并根据Sm和Lu同为REE,推测Lu-Hf 同位素在⼀系列地球化学⾏为上应与Sm-Nd同位素相似。

在太古宙岩⽯的Sm-Nd同位素研究中,部分太古宙早期岩⽯具较⾼的X t(Nd)值(约+4),进⽽“指⽰”出古太古代地幔就存在极度亏损。

对这⼀现象的认识长期存在争异,因为这不仅是太古宙岩⽯Sm-Nd同位素体系能否保持封闭的问题,⽽且也关系到对地球形成演化过程中壳—幔分异动⼒学机制的认识〔16～20〕。

然⽽Sm-Nd同位素体系本⾝的研究似乎难以解决这⼀分歧,⽽Lu-Hf 同位素⽅法的推⼴应⽤为探讨这⼀问题提供了独⽴的途径。

越来越多的Lu-Hf同位素证据表明,部分太古宙岩⽯的Sm-Nd同位素封闭体系发⽣过不同程度的扰动,使原来有关太古宙地球物质性质的部分认识受到质疑〔13,21～23〕;此外,与同位素母⼦体同为REE的Sm-Nd元素相对⽐,分别属于REE和I V B⾼场强元素的Lu-Hf同位素表现出更多的特殊性,且在太古宙地质研究中显⽰出更强的优势,并对认识太古宙地球的壳、幔物质特征提出了许多重要的制约。

在太古宙岩⽯Lu-Hf同位素⽰踪研究中,锆⽯单矿物起着⼗分重要的作⽤。

原因是Hf与Zr 呈类质同象存在于锆⽯的矿物晶格中,且锆⽯是极抗风化并在变质过程中较为稳定的矿物,是⽬前精度最⾼的U-Pb定年法中⾸选的测定对象,因⽽可从锆⽯单矿物本⾝获得⾼精度的年龄;相对其它地质样品,锆⽯中的⾼Hf含量(约10-4)不仅为获取⾼精度的Hf同位素⽐值数据提供了保障,且其极低的w(Lu)/w(Hf)⽐值使得⾃锆⽯形成后对其Hf同位素组成的影响甚微,⽽⽆需对锆⽯所代表地质体的Hf同位素初始⽐值进⾏年龄校正〔1〕。

事实上,在太古宙早期的⽚⿇岩全岩的研究中,Lu-Hf同位素体系也同样显⽰出较Sm-Nd具更⾼的封闭温度〔21〕。

2.1　早期壳幔分异
格陵兰是现今保存完好且研究程度较⾼的著名的太古宙早期岩⽯出露地区之⼀,其内出露的Amitsoq⽚⿇岩(Sukasia和Nuuk地区)和Isua 表壳岩(Isukasia地区)有详细的锆⽯单矿物化学U-Pb和离⼦探针年龄数据〔19,22〕,这为开展锆⽯单矿物Lu-Hf同位素⽰踪提供了良好条件。

V ervo or t等〔22〕对已获得⾼精度年龄数据的10个⽚⿇岩样品中的共20组锆⽯进⾏了配套的Sm-Nd 和Lu-Hf同位素分析,其测定结果列于表1, X t(Hf)与X t(Nd)相关性⽰于图1。

⼤量洋岛⽞武岩(O IB)Nd-Hf同位素数据统计表明〔9,11,24〕,其Nd,Hf同位素组成之间不仅存在显著的相关性,并存在如下关系式
X t(Hf)≈2X t(Nd)
格陵兰⽚⿇岩锆⽯的X t(Hf)和X t(Nd)值域分别为+0.5～+ 5.0和+ 1.1～+ 4.5,其中样品91-680和90-410的X t(Nd)为+ 3.5～+
4.5。

相对于古太古宙的形成年龄(3.81Ga),+ 3.5～+ 4.5的X t(Nd)“指⽰”了极度亏损的地幔源区的存在,似乎表明于太古宙早期地球就已发⽣了极⼤规模的壳幔分异作⽤,⼤量的地壳物质已从地幔
80地质科技情报1999年
表1　格陵兰古太古代⽚⿇岩锆⽯L u-Hf和Sm-N d同位素组成〔19,22〕
Table1　Lu-Hf and Sm-Nd iso topes in Paleo-Archean gneiss zirco ns fr om Gr eenland
样号粒度/
µm
年龄t
/Ga
w(176Hf)/w(177Hf)
±2σ/10-6
w(176Lu)/
w(177Hf)
X t(Hf)
w(143Nd)/
w(144Nd)
w(147Sm)/
w(144Nd)
X t(Nd)
Isukasia地区Amitsoq⽚⿇岩
GGU-248226未分 3.730.280433±120.00007 3.6±0.40.5115930.1512 1.5　80～125　0.280446±400.00016 3.8±1.4
　20～45　0.280434±120.00015 3.5±0.4
GGU-248228未分 3.690.280463±200.00011 3.7±0.70.5107360.1157 1.5　80～125　0.280461±160.00062 2.3±0.6
　80～125　0.280461±210.00001 3.9±0.7
GGU-248245未分 3.700.280377±80.000260.5±0.30.5101060.0893 1.9　45～80　0.280406±130.000510.8±0.3
GGU-24825080～125 3.700.280417±150.00011 2.3±0.50.5102830.0975 1.5　45～80　0.280428±120.00017 2.6±0.4
　45～80　0.280418±130.00003 2.6±0.5
91-680>80 3.810.280388±80.00046 3.0±0.3 3.5 90-410未分 3.810.280388±130.00016 3.5±0.5 4.0　80～125　
0.280396±110.00032 3.7±0.4 4.5　>125　0.280358±100.00032 2.4±0.4 4.2　>125　0.280382±70.00028 3.1±0.3 Isukasia地区Isua表壳岩
24820345～80 3.800.280406±170.00023 4.1±0.60.5101560.0928 2.6 Nuuk地区Amits oq⽚⿇岩
GGU-11099980～125 3.820.280388±100.00007 4.4±0.40.5105510.1088 2.7　80～125　0.280415±120.00034 4.6±0.3 GGU-155817>125 3.650.280490±230.00013 3.6±0.80.5107950.1163 2.0 GGU-155820>125 3.640.280533±80.00010
5.0±0.30.5111590.1325 1.1
　>125　0.280543±140.00056 4.1±0.
5
图1　格陵兰古太古代⽚⿇岩锆⽯X t(Hf)—X t(Nd)关系图
Fig.1　X t(Hf)vs.X t(Nd)plo t of zircons in Paleo—Arch ean
g neis ses from Greenland
中抽取出来,导致地幔的极度亏损。

但由表1和图1可明显看出,相同岩⽯的Hf同位素分析结果并不⽀持这⼀结论。

虽然⼤多数X t(Nd)低值样品与其X t(Hf)之间满⾜约2倍的近似关系,但91-680和90-410样品的X t(Nd)⾼值没有出现X t(Hf)的相应⾼值,⽽与其它X t(Nd)低值(+ 2.4～+ 3.7)样品相类似。

这⼀现象充分说明,虽经历了复杂的⾼级变质,但同⼀时期不同地质单元的古太古代岩⽯中的锆⽯具有⼗分相近的X t(Hf)值;反之,部分样品出现的X t(Nd)异常⾼值则只能⽤其Sm-Nd同位素体系的封闭性在变质过程中曾受到破坏来解释,并⾮是对当时地幔发⽣⾼度亏损的指⽰。

Vervo ort等〔21〕稍后利⽤可对常规样品进⾏⾼精度分析的M C-IC P-M S在EN SL对同⼀地区的⽚⿇岩进⾏了全岩Lu-Hf和Sm-Nd同位素分析,其结果表明虽然⽚⿇岩全岩的X t(Nd)(- 4.5～+ 4.5)值⽐锆⽯的变化范围更⼤,但全岩样品的X t(Hf)值与其锆⽯单矿物基本⼀致。

在变质程度相对低的新太古代(2.675～ 2.730Ga)绿岩带(Abitibi绿岩带,加拿⼤Superior Province)开展的同类研究表明,各样品间基本保持了X t(Hf)≈2X t(Nd)的Hf,Nd同位素关系〔13〕。

这均不仅说明了⽚⿇岩全岩的Sm-Nd同位素体系在⾼级变质
81
第1期凌⽂黎等:Lu-Hf同位素体系对若⼲基础地质问题的新制约(之⼀)——地球早期演化
过程中受到了⽐锆⽯更⼤程度的扰动,且进⼀步显⽰出在古太古代⾼级变质区,⽚⿇岩的Lu-Hf 同位素体系基本保持封闭。

这说明Lu-Hf 同位素体系的封闭温室明显⾼于Sm -Nd 同位素体系,为在⾼级变质区(太古宙岩⽯和造⼭带等地区)应⽤Lu-Hf 同位素⽅法进⾏可靠定年和⽰踪提供了依据。

2.2　地壳⽣长模式
⼤陆地壳的⽣长是与壳幔分异作⽤相关的另⼀重要地质问题。

如图2所⽰,对⼤陆地壳的⽣长模式长期以来存在两种截然不同的对⽴观点,即⼤陆地壳物质主要是在地球形成最初的⼏亿年内形成的,此后的⼤陆地壳物质便⼏乎没有净增加或减少〔16〕;或⼤陆地壳现在的规模是从最初的很少质量通过新⽣地壳的不断增⽣⽽逐渐积累⽽成〔17,25～
27〕。

图2　⼤陆地壳⽣长模式曲线
Fig .2
　Continen tal crus t g row th cu rv es from mod els (a 〔16〕,b 〔25
〕,c 〔26〕,d 〔17〕,e 〔27〕,f 〔28〕)如果⼤陆地壳的质量是在地球形成的初期就基本确定,这与现有的太古宙早期地壳物质在⼤
陆地壳总质量中所占的较⼩⽐例显然是不相符的。

唯⼀合理的可能解释是太古宙早期形成的⼤量地壳物质受后期风化和剥蚀作⽤⽽分解消失。

如前所述,Lu-Hf 同位素体系本⾝所具有的⾼于Sm -Nd 同位素体系的封闭温度及锆⽯特有的抗风化能⼒,使得锆⽯成为研究太古宙早期地壳的理想研究对象。

对于太古宙早期岩⽯因风化剥蚀后残存下来的锆⽯,显然应集中保存在太古宙晚期或元古宙早期的砂质沉积岩中,更晚期的沉积岩类则可能因年轻锆⽯的加⼊,⽽使源于太古宙早期地壳的锆⽯的⽐例逐渐减少。

Stev enson 和Patchett 〔23〕正是基于这⼀原理,选择北⼤西洋克
拉通、加拿⼤地盾、怀俄明克拉通和南⾮
Kaapv aal 地盾4个太古宙稳定地块,对中—新太古代⾄古元古代的沉积砂岩进⾏了系统的锆⽯Lu-Hf 同位素研究。

在所选砂岩样品中以⽯英岩为主,原因是这类岩⽯产于稳定环境,进⽽保证了沉积物的⼴泛来源;因⽯英岩中沉积物具⾼成熟度,较⼤限度地容纳了来⾃不同时代和成因的混源锆⽯;⽯英岩较单⼀的化学和矿物相组成,减少了在⾼级变质作⽤中锆⽯因增⽣⽽受到来⾃其它矿物相中放射成因Hf 影响的可能性。

Stev enson 和Patchett 根据样品的Lu -Hf 同位素组成进⾏了CHU R 模式年龄计算(计算⽅法及参数参见附录),并与其沉积年龄作图(图3)。

从图中可明显看出,⽯英岩中锆⽯的Hf 模式年龄(t Hf
CHU R )与其所处地层的沉积年龄⼤致呈正相关分布;绝⼤部分样品的Hf 模式年龄集中于 2.5～3.0Ga 之间;仅少数地层时代⼩于3.0Ga 样品的Hf 模式年龄⼤于3.0Ga 。

这些结果说明:①在3.0Ga 以前所形成的⼤陆地壳仅占地壳总质量的较少部分;②⼤陆地壳于 2.5～ 3.0Ga 之间进⼊了快速⽣长时期;③锆⽯Hf 同位素证据⽀持⼤陆地壳的增长是呈幕式不断增⽣的模式。

图3　世界主要太古宙古陆⽯英岩锆⽯Hf 同位素模式年龄与
沉积年龄关系图
F ig .3　Relationship diag ram betw een Hf iso tope (C HUR )
model ag es of zircons and deposition ag es of their hos ted-quartz ites from main Archean continental cratons or s hield
3　总　结
Lu -Hf 同位素⽅法已进⼊成熟阶段,化学分离⽅法的极⼤改进和热⼆次电离质谱分析技术(ho t-SIM S)及多接收器双耦合等离⼦体质谱仪
82
地质科技情报
1999年
(M C-ICP-M S)的应⽤是使Lu-Hf同位素⽅法正在逐步变成常规⽅法的重要原因。

Lu-Hf同位素⽅法的应⽤结果表明,其独特的同位素体系特性使之在⾼级变质区(太古宙和造⼭带等)的定年和⽰踪等地质研究中极具优势,同时也对若⼲重要地质问题提出了新的制约或反思。

锆⽯Lu-Hf同位素研究表明,部分古太古代⽚⿇岩Sm-Nd同位素体系所记录的早期地幔的“极度”亏损,实际是其同位素系曾发⽣过热扰动的结果;关于⼤陆地壳的⽣长模式,⽯英岩锆⽯Lu-Hf同位素特征⽀持了幕式增⽣的观点。

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/doc/8c330a2a82c4bb4cf7ec4afe04a1b0717fd5b3e6.html b.,Upton,N.Y.,1985.11973
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Earth Planet.S ci.Letter s,1997,148:243-258
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第1期凌⽂黎等:Lu-Hf同位素体系对若⼲基础地质问题的新制约(之⼀)——地球早期演化
84地质科技情报1999年
附录　Lu-Hf同位素常⽤地球化学参数
1.同位素组成
Lu〔8〕:175L u(97.416),176L u(2.584)
Hf〔29〕:174H f(0.162),176Hf(5.206),177Hf(18.606),178Hf(27.297),179Hf(13.629),180Hf(35.100)
注:括号内数值为⾃然界平均相对丰度
2.Lu-Hf同位素定年基本公式
[(w(176H f)/w(177Hf)]p=[w(176H f)/w(177Hf)]i+[w(176Hf)/w(177Hf)]p(eλt-1)
式中:下标p和i分别代表现代值和初始值;λ(176Lu)〔11〕=(1.94±0.07)×10-11a-1
3.X值和f值表达式
X t(Hf)={[w(176Hf)/w(177Hf)]i(样品)/[w(176Hf)/w(177Hf)]i(C H UR)-1}×10000
X0(Hf)={[w(176Hf)/w(177Hf)]p(样品)/[w(176Hf)/w(177Hf)]p(CHUR)-1}×10000
f(Lu/Hf)={[w(176L u/w(177Hf)]p(样品)/[w(176Lu)/w(177Hf)]p(CHUR)-1}
注:下标意义同(2)
4.球粒陨⽯均⼀岩浆库(C HU R)Lu-Hf同位素定值〔30〕
[w(176Hf)/w(177Hf)]p=0.282772±0.0000029
[w(176Hf)/w(177Hf)]i=0.279742±0.0000029
[w(176Lu)/w(177Hf)]p=0.0332±0.0002
5.质谱测定Hf同位素⽐值标准化值:w(179Hf)/w(177Hf)=0.732500
6.JM C475标准推荐值〔30〕:w(176Hf)/w(177Hf)=0.282163±0.000009
NEW CONSTRAI NTS OF Lu-Hf ISOTOPE ON SOME CRITICAL GEOLOGICAL ISSUES(Ⅰ):EARLY EVOLUTION OF THE EARTH
Ling Wenli　Cheng Jianping
(Faculty of Earth Sciences,China University of G eosciences,W uhan,430074)
Abstract　Lu-Hf iso to pe method has been well dev elo ped in recent years due to the improv ement in its chemical process in labo ra to ry and the employ ment o f hig h ionizatio n mass-spectrometers.Lu-Hf isotope a pplicatio ns in the researches of early geolog ical history sho w tha t the g eothermal-event disturbing after initial intrusion resulted in the“ex tremely depleted”fea ture fo r some Paleo-Archean rocks reco rded by their Sm-Nd isotopic system;the Lu-Hf iso to pe o f zircon in Precambrain quartzites prefers a pulse accretion model for the g row th of continental crust in the g eolo gical history.
Key words　Lu-Hf method,g eo logical applica tion,ea rly evo lutio n o f the Ear th,new co nstraints。