南京大学同位素地质学-13Nd同位素演化-Nd同位素地球化学(含作业)-1
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13 Nd同位素演化/Nd同位素地球化学
陨石和整体地球的Nd同位素演化
由于 147Sm 衰变为 143Nd ，地球的 143Nd 丰度 和143Nd/144Nd比值随时间增加。
这可用一模式来描述，该模式所采用的地球 年龄、Sm/Nd比值和地球原始143Nd/144Nd等 参数都是从石陨石研究获得。
143Nd/144Nd
(CHUR)
洋脊玄武岩（MORB）Nd＝+101.5 143Nd/144Nd=0.51315，147Sm/144Nd=0.2137, (Peucat et al., 1988)，来源于亏损的上地幔； 洋岛玄武岩（OIB）的Nd值小于MORB的值，一 些OIB的Nd值达到CHUR的值，来源于原始下地 幔/地幔源区受到俯冲物质影响； 与俯冲带有关的洋内岛弧(IOA)的Nd值介于 MORB和OIB之间，少量达到CHUR的值，其形成 与俯冲洋壳(包括部分沉积物)再熔融有关。
Nd(t)>0 Nd(0)>0 Nd(t)>0 Nd(0)<0 Nd(t)<0
Nd(t)=0
CHUR
Nd(0)<0
如地壳部分熔融形成的花岗岩的初始 143Nd/144Nd一般低于CHUR。
如果岩石的Nd（t）为零，即岩石的Nd同位 素组成与CHUR的相同，这种岩石可能就直 接来源于CHUR库，也可能由来源于亏损库 的岩浆受到地壳物质的混染所致。
许多石陨石的矿物 Sm-Nd 等时线年龄测定结果 也在4.55Ga左右，例如: Hamet et al. (1978)得到了无球粒陨石Moama 的矿物 Sm-Nd 等时线年龄 4.580.05 Ga 和原始 143Nd/144Nd比值 0.506840.00008，此值与球粒 陨石值很一致；
地幔Hf同位素演化
Nd与Hf同位素成正相关，说明观察到的Nd同位素的变化 不只是Nd的独特特征，Hf同位素也有类似变化，它们遵 循共同的规律
2、Sm-Nd模式年龄与地壳增长
由于 REE 的地球化学性质的相似性，地幔（假定 相 当 于 CHUR ） 部 分 熔 融 产 生 地 壳 岩 石 是 引 起 Sm/Nd比值发生变化的主要事件， 而地壳岩石在中低变质作用、乃至剥蚀和沉积作 用过程中，其 Sm/Nd 比值一般不发生变化（地壳 部分熔融、热液蚀变及高级变质作用例外)。
在此模式前提下，地壳岩石的Sm-Nd同位素可用来计 算壳 - 幔分离的模式年龄。壳 - 幔分离时 (t) ，岩石 (R) 和地幔(假定为CHUR) 的Nd同位素组成相同
即：
Nd Nd 144 Nd 144 Nd R CHUR
火星岩石Nakhla和Zagami的矿物Sm－Nd等时线
DePaolo & Wasserburg (1976) 首次测定
了地球火成岩的 Nd 同位素组成，当他们把
火成岩的 Nd 同位素初始比值 (143Nd/144Nd)i 对时间作图时发现:
太古代的深成岩的(143Nd/144Nd)i与从陨石获
二、地幔-地壳Nd同位素演化
1. 地幔的Nd同位素演化
玄武岩可由地幔岩石部分熔融形成，因此其同位素组成 可能直接反映了其源区地幔的的同位素组成。与大陆玄 武岩浆在上升过程中容易受到大陆地壳的混染相反，大 洋玄武岩浆不容易受混染，因此其同位素组成可靠地代 表了地幔的值。
海 洋 中 大 多 数 大 洋 玄 武 岩 的 Sm/Nd 比 值 和 Nd 值 大 于 CHUR的值，表明其源区地幔是先期部分熔融的残余。
DePaolo (1981) 通 过 美 国 科 罗 拉 多 元 古 代
Idaho Springs组的变质紫苏花岗质的麻粒岩
和现代洋内岛弧的 Nd同位素组成，拟合出一 条二次方程曲线：
Nd（t）= 0.25t 2 – 3t + 8.5
该曲线（图中 DM’ ）代表了钙碱性幔源岩浆 的地幔源区Nd同位素渐进亏损的演化模式。
Goldstein et al (1984)提出了另一个模式，即地 幔线性亏损Nd同位素演化模式(图6-7中DM)：地 幔的Nd（4.56Ga）= 0，Nd（0）= +10，其它 时间的Nd（t）值位于该两点的连线上 该模式与美国西南部和格陵兰早元古代绿岩带岩 石很好的吻合，但对岛弧环境的云英闪长质岩石 不适用，这些岩石的亏损程度相对较小。
得的球粒陨石均匀库（Chondritic Uniform
Reservoir: CHUR）演化线十分一致。
因此，地球Nd同位素的演化可以用球粒陨石均 一库模式来描述，该模式假定地球的Nd同位素 是在一个均一的库中演化，该均一库的 Sm/Nd 比值与球粒陨石的相等，其现代同位素组成：
147Sm/144Nd=0.1967（五个球粒陨石和一个无球粒陨石的
洋底玄武岩的年龄只有 200Ma ，要了解在此之前的地 幔的同位素演化，必须在大陆上寻找保存良好的古洋 壳（蛇绿岩套）和其它幔源基性-超基性岩石。 下图是这些岩石的初始Nd（t）值，可见它们具有正的 Nd（t）值，并且时代越新Nd（t）值越高，表明大陆 上的这些岩石的源区与现代洋壳岩石的源区相似。
ε Hf (0)
176
Hf/177 Hf
176
Hf/177
Hf
测定 0 CHUR
1 104
ε Hf (t)
176
Hf/177 Hf
177
176
Hf/ Hf
i
t
CHUR
1 104
式中(176Hf/177Hf)测定为岩石的测定值 (176Hf/177Hf)0CHUR为CHUR的现代值(0.282772) (176Hf/177Hf)i为岩石的初始值，由全岩等时线确定 (176Hf/177Hf)tCHUR为岩石形成时CHUR的值 此外， (176Lu/177Hf) 0CHUR=0.0332 (BLichert-Toft & Albarede,1997)
CHUR过去任何时候的143Nd/144Nd比值可用下 式计算：
Nd Nd Sm t ( e 1) 144 Nd 144 Nd 144 Nd CHUR CHUR CHUR
143 143 147 t 0 0
多次测定得到的平均值），
143Nd/144Nd=0.512638（相对于146Nd/144Nd = 0.7219），
(比较： 原始Sr同位素-BABI)
其它同位素比值见下表。
球粒陨石现代 Nd 同位素组成（Wasserburg et al., 1981）
142
Nd 144 Nd
1 2 1.138305 1.141827
这两个模式被广泛地应用。
10 8 6 4
MORB
IOA
DM CHUR DM'
Nd
2 0 -2 -4 -6 0
镁铁质岩 镁铁质和硅铝质岩
1
2
3
4
t (Ga)
前寒武纪和古生代幔源岩石的Nd（t）值以及年轻的洋内岛弧（IOA） 和洋岛玄武岩（OIB）的Nd（t）值范围（据DePaolo, 1988简化）, DM：地幔Nd同位素线性亏损演化模式，DM'：地幔源区Nd同位素渐 进亏损演化模式
Jacobsen and Wasserburg Angra dos Reis陨石获得 年龄4.5620.031Ga， 原始143Nd/144Nd比值0.50664；
(1981) 从
Rb-Sr 等 时 线 年 龄 偏 低 的 陨 石 （ 如 Nakhla, Shergotty）， Sm-Nd 等 时 线 也 给 出 类 似 的 偏 低 年 龄 值 (Nakamura et al.,1982; Shih et al., 1982) (见下面图、表) 证实这些陨石经历了分异。
143
Nd
144 144
143
Nd
Nd
Nd
测定 0
CHUR
1 10 4
Nd (t )
143
Nd
144
Nd
143
Nd
144
Nd
i
t CHUR
1 104
式中: (143Nd/144Nd)测定为岩石的测定值， (143Nd/144Nd)0CHUR为CHUR的现代值（0.512638）， (143Nd/144Nd)i为岩石的初始值，由全岩等时线确定， (143Nd/144Nd)tCHUR为岩石形成时CHUR的值，
式中上标0表示现在, t 表示距今年龄 由于147Sm的衰变常数很小 故(e t - 1) t,因此CHUR演化线近似于直线
0.516
亏损源
0.514
0.512
残 余 固 相 CHU (高 R S
部分熔融
m/ Nd )
与Sm相比，Nd的离子半径和不相容 性较大，故CHUR库部分熔融产生的 岩浆的 Sm/Nd 比值低于 CHUR 库的 Sm/Nd 比值，在 143Nd/144Nd—t 图上， 其 Nd 同 位 素 演 化 线 的 斜 率 小 于 CHUR 演化线的斜率，成为 ( 大阳离 子亲石元素 ) 相对富集区；而部分熔 融 的 残 余 固 相 的 Sm/Nd 比 值 高 于 CHUR 库的 Sm/Nd 比值，其 Nd 同位 素演化线的斜率大于CHUR演化线的 斜率，成为（大阳离子亲石元素） 相对亏损区。
Nd 144
143
Nd
Nd
Nd
测定 0
CHUR
1 10 4
Nd (t )
143
Nd
144
Nd
143
Nd
144
Nd
i
t CHUR
1 104
Nd (0)
Nd 144 Nd
0.511847 0.512638
143
Nd 144 Nd
0.348956 0.349417
145
146
Nd 144 Nd
0.724134 0.7219
Nd 144 Nd
0.243075 0.241587
148
150
Nd 144 Nd
0.238619 0.236418
1 质谱测量质量分馏矫正采用 146Nd/142Nd=0.6316151 2 质谱测量质量分馏矫正采用 146Nd/144Nd=0.7219
如果岩石的Nd（t） 为正值，则表明其来源于 一个在早期已产生过岩浆所留下的残余固相库， 这样的库亏损那些易于分配进入液态岩浆的大 阳离子亲石元素，如来源于亏损地幔的洋脊玄 武岩的初始143Nd/144Nd高于CHUR。
如果岩石的 Nd （ t ）为负值，则表明它来 源于 Sm/Nd比值低于CHUR的源区，这种 源区或者就是古老地壳、或者有古老地壳 的加入，因为古老地壳在从 CHUR 库中分 离出来时，其Sm/Nd比值低于CHUR的。
地球形成
CHU R SN
Nd/ Nd
144
0.510
熔体(Sm/Nd)
143
富集源
0.508
0.506
0.504 0 1 2 3 4 5
t (Ga)
将火成岩和变质岩的初始 143Nd/144Nd 比值与 其形成时 CHUR 的 143Nd/144Nd 进行比较，由 于 这 种 差 别 较 小 ， 因 此 DePaolo and Wasserburg (1976) 引入了 参数，其定义 如下：
10 8 6 4
MORB
IOA
DM CHUR DM'
Nd
2 0 -2 -4 -6 0
镁铁质岩 镁铁质和硅铝质岩
1
2
3
4
t (Ga)
前寒武纪和古生代幔源岩石的Nd（t）值以及年轻的洋内岛弧（IOA） 和洋岛玄武岩（OIB）的Nd（t）值范围（据DePaolo, 1988简化）, DM：地幔Nd同位素线性亏损演化模式，DM'：地幔源区Nd同位素渐 进亏损演化模式
地幔和大陆地壳（页岩）Nd同位素演化曲线 from Allegre, 2008
10 8 6 4
MORB
IOA
DM CHUR DM'
Nd
2 0 -2 -4 -6 0
镁铁质岩 镁铁质和硅铝质岩
1
2
3
4
t (Ga)
前寒武纪和古生代幔源岩石的Nd（t）值以及年轻的洋内岛弧（IOA） 和洋岛玄武岩（OIB）的Nd（t）值范围（据DePaolo, 1988简化）, DM：地幔Nd同位素线性亏损演化模式，DM'：地幔源区Nd同位素渐 进亏损演化模式
陨石和整体地球的Nd同位素演化
由于 147Sm 衰变为 143Nd ，地球的 143Nd 丰度 和143Nd/144Nd比值随时间增加。
这可用一模式来描述，该模式所采用的地球 年龄、Sm/Nd比值和地球原始143Nd/144Nd等 参数都是从石陨石研究获得。
143Nd/144Nd
(CHUR)
洋脊玄武岩（MORB）Nd＝+101.5 143Nd/144Nd=0.51315，147Sm/144Nd=0.2137, (Peucat et al., 1988)，来源于亏损的上地幔； 洋岛玄武岩（OIB）的Nd值小于MORB的值，一 些OIB的Nd值达到CHUR的值，来源于原始下地 幔/地幔源区受到俯冲物质影响； 与俯冲带有关的洋内岛弧(IOA)的Nd值介于 MORB和OIB之间，少量达到CHUR的值，其形成 与俯冲洋壳(包括部分沉积物)再熔融有关。
Nd(t)>0 Nd(0)>0 Nd(t)>0 Nd(0)<0 Nd(t)<0
Nd(t)=0
CHUR
Nd(0)<0
如地壳部分熔融形成的花岗岩的初始 143Nd/144Nd一般低于CHUR。
如果岩石的Nd（t）为零，即岩石的Nd同位 素组成与CHUR的相同，这种岩石可能就直 接来源于CHUR库，也可能由来源于亏损库 的岩浆受到地壳物质的混染所致。
许多石陨石的矿物 Sm-Nd 等时线年龄测定结果 也在4.55Ga左右，例如: Hamet et al. (1978)得到了无球粒陨石Moama 的矿物 Sm-Nd 等时线年龄 4.580.05 Ga 和原始 143Nd/144Nd比值 0.506840.00008，此值与球粒 陨石值很一致；
地幔Hf同位素演化
Nd与Hf同位素成正相关，说明观察到的Nd同位素的变化 不只是Nd的独特特征，Hf同位素也有类似变化，它们遵 循共同的规律
2、Sm-Nd模式年龄与地壳增长
由于 REE 的地球化学性质的相似性，地幔（假定 相 当 于 CHUR ） 部 分 熔 融 产 生 地 壳 岩 石 是 引 起 Sm/Nd比值发生变化的主要事件， 而地壳岩石在中低变质作用、乃至剥蚀和沉积作 用过程中，其 Sm/Nd 比值一般不发生变化（地壳 部分熔融、热液蚀变及高级变质作用例外)。
在此模式前提下，地壳岩石的Sm-Nd同位素可用来计 算壳 - 幔分离的模式年龄。壳 - 幔分离时 (t) ，岩石 (R) 和地幔(假定为CHUR) 的Nd同位素组成相同
即：
Nd Nd 144 Nd 144 Nd R CHUR
火星岩石Nakhla和Zagami的矿物Sm－Nd等时线
DePaolo & Wasserburg (1976) 首次测定
了地球火成岩的 Nd 同位素组成，当他们把
火成岩的 Nd 同位素初始比值 (143Nd/144Nd)i 对时间作图时发现:
太古代的深成岩的(143Nd/144Nd)i与从陨石获
二、地幔-地壳Nd同位素演化
1. 地幔的Nd同位素演化
玄武岩可由地幔岩石部分熔融形成，因此其同位素组成 可能直接反映了其源区地幔的的同位素组成。与大陆玄 武岩浆在上升过程中容易受到大陆地壳的混染相反，大 洋玄武岩浆不容易受混染，因此其同位素组成可靠地代 表了地幔的值。
海 洋 中 大 多 数 大 洋 玄 武 岩 的 Sm/Nd 比 值 和 Nd 值 大 于 CHUR的值，表明其源区地幔是先期部分熔融的残余。
DePaolo (1981) 通 过 美 国 科 罗 拉 多 元 古 代
Idaho Springs组的变质紫苏花岗质的麻粒岩
和现代洋内岛弧的 Nd同位素组成，拟合出一 条二次方程曲线：
Nd（t）= 0.25t 2 – 3t + 8.5
该曲线（图中 DM’ ）代表了钙碱性幔源岩浆 的地幔源区Nd同位素渐进亏损的演化模式。
Goldstein et al (1984)提出了另一个模式，即地 幔线性亏损Nd同位素演化模式(图6-7中DM)：地 幔的Nd（4.56Ga）= 0，Nd（0）= +10，其它 时间的Nd（t）值位于该两点的连线上 该模式与美国西南部和格陵兰早元古代绿岩带岩 石很好的吻合，但对岛弧环境的云英闪长质岩石 不适用，这些岩石的亏损程度相对较小。
得的球粒陨石均匀库（Chondritic Uniform
Reservoir: CHUR）演化线十分一致。
因此，地球Nd同位素的演化可以用球粒陨石均 一库模式来描述，该模式假定地球的Nd同位素 是在一个均一的库中演化，该均一库的 Sm/Nd 比值与球粒陨石的相等，其现代同位素组成：
147Sm/144Nd=0.1967（五个球粒陨石和一个无球粒陨石的
洋底玄武岩的年龄只有 200Ma ，要了解在此之前的地 幔的同位素演化，必须在大陆上寻找保存良好的古洋 壳（蛇绿岩套）和其它幔源基性-超基性岩石。 下图是这些岩石的初始Nd（t）值，可见它们具有正的 Nd（t）值，并且时代越新Nd（t）值越高，表明大陆 上的这些岩石的源区与现代洋壳岩石的源区相似。
ε Hf (0)
176
Hf/177 Hf
176
Hf/177
Hf
测定 0 CHUR
1 104
ε Hf (t)
176
Hf/177 Hf
177
176
Hf/ Hf
i
t
CHUR
1 104
式中(176Hf/177Hf)测定为岩石的测定值 (176Hf/177Hf)0CHUR为CHUR的现代值(0.282772) (176Hf/177Hf)i为岩石的初始值，由全岩等时线确定 (176Hf/177Hf)tCHUR为岩石形成时CHUR的值 此外， (176Lu/177Hf) 0CHUR=0.0332 (BLichert-Toft & Albarede,1997)
CHUR过去任何时候的143Nd/144Nd比值可用下 式计算：
Nd Nd Sm t ( e 1) 144 Nd 144 Nd 144 Nd CHUR CHUR CHUR
143 143 147 t 0 0
多次测定得到的平均值），
143Nd/144Nd=0.512638（相对于146Nd/144Nd = 0.7219），
(比较： 原始Sr同位素-BABI)
其它同位素比值见下表。
球粒陨石现代 Nd 同位素组成（Wasserburg et al., 1981）
142
Nd 144 Nd
1 2 1.138305 1.141827
这两个模式被广泛地应用。
10 8 6 4
MORB
IOA
DM CHUR DM'
Nd
2 0 -2 -4 -6 0
镁铁质岩 镁铁质和硅铝质岩
1
2
3
4
t (Ga)
前寒武纪和古生代幔源岩石的Nd（t）值以及年轻的洋内岛弧（IOA） 和洋岛玄武岩（OIB）的Nd（t）值范围（据DePaolo, 1988简化）, DM：地幔Nd同位素线性亏损演化模式，DM'：地幔源区Nd同位素渐 进亏损演化模式
Jacobsen and Wasserburg Angra dos Reis陨石获得 年龄4.5620.031Ga， 原始143Nd/144Nd比值0.50664；
(1981) 从
Rb-Sr 等 时 线 年 龄 偏 低 的 陨 石 （ 如 Nakhla, Shergotty）， Sm-Nd 等 时 线 也 给 出 类 似 的 偏 低 年 龄 值 (Nakamura et al.,1982; Shih et al., 1982) (见下面图、表) 证实这些陨石经历了分异。
143
Nd
144 144
143
Nd
Nd
Nd
测定 0
CHUR
1 10 4
Nd (t )
143
Nd
144
Nd
143
Nd
144
Nd
i
t CHUR
1 104
式中: (143Nd/144Nd)测定为岩石的测定值， (143Nd/144Nd)0CHUR为CHUR的现代值（0.512638）， (143Nd/144Nd)i为岩石的初始值，由全岩等时线确定， (143Nd/144Nd)tCHUR为岩石形成时CHUR的值，
式中上标0表示现在, t 表示距今年龄 由于147Sm的衰变常数很小 故(e t - 1) t,因此CHUR演化线近似于直线
0.516
亏损源
0.514
0.512
残 余 固 相 CHU (高 R S
部分熔融
m/ Nd )
与Sm相比，Nd的离子半径和不相容 性较大，故CHUR库部分熔融产生的 岩浆的 Sm/Nd 比值低于 CHUR 库的 Sm/Nd 比值，在 143Nd/144Nd—t 图上， 其 Nd 同 位 素 演 化 线 的 斜 率 小 于 CHUR 演化线的斜率，成为 ( 大阳离 子亲石元素 ) 相对富集区；而部分熔 融 的 残 余 固 相 的 Sm/Nd 比 值 高 于 CHUR 库的 Sm/Nd 比值，其 Nd 同位 素演化线的斜率大于CHUR演化线的 斜率，成为（大阳离子亲石元素） 相对亏损区。
Nd 144
143
Nd
Nd
Nd
测定 0
CHUR
1 10 4
Nd (t )
143
Nd
144
Nd
143
Nd
144
Nd
i
t CHUR
1 104
Nd (0)
Nd 144 Nd
0.511847 0.512638
143
Nd 144 Nd
0.348956 0.349417
145
146
Nd 144 Nd
0.724134 0.7219
Nd 144 Nd
0.243075 0.241587
148
150
Nd 144 Nd
0.238619 0.236418
1 质谱测量质量分馏矫正采用 146Nd/142Nd=0.6316151 2 质谱测量质量分馏矫正采用 146Nd/144Nd=0.7219
如果岩石的Nd（t） 为正值，则表明其来源于 一个在早期已产生过岩浆所留下的残余固相库， 这样的库亏损那些易于分配进入液态岩浆的大 阳离子亲石元素，如来源于亏损地幔的洋脊玄 武岩的初始143Nd/144Nd高于CHUR。
如果岩石的 Nd （ t ）为负值，则表明它来 源于 Sm/Nd比值低于CHUR的源区，这种 源区或者就是古老地壳、或者有古老地壳 的加入，因为古老地壳在从 CHUR 库中分 离出来时，其Sm/Nd比值低于CHUR的。
地球形成
CHU R SN
Nd/ Nd
144
0.510
熔体(Sm/Nd)
143
富集源
0.508
0.506
0.504 0 1 2 3 4 5
t (Ga)
将火成岩和变质岩的初始 143Nd/144Nd 比值与 其形成时 CHUR 的 143Nd/144Nd 进行比较，由 于 这 种 差 别 较 小 ， 因 此 DePaolo and Wasserburg (1976) 引入了 参数，其定义 如下：
10 8 6 4
MORB
IOA
DM CHUR DM'
Nd
2 0 -2 -4 -6 0
镁铁质岩 镁铁质和硅铝质岩
1
2
3
4
t (Ga)
前寒武纪和古生代幔源岩石的Nd（t）值以及年轻的洋内岛弧（IOA） 和洋岛玄武岩（OIB）的Nd（t）值范围（据DePaolo, 1988简化）, DM：地幔Nd同位素线性亏损演化模式，DM'：地幔源区Nd同位素渐 进亏损演化模式
地幔和大陆地壳（页岩）Nd同位素演化曲线 from Allegre, 2008
10 8 6 4
MORB
IOA
DM CHUR DM'
Nd
2 0 -2 -4 -6 0
镁铁质岩 镁铁质和硅铝质岩
1
2
3
4
t (Ga)
前寒武纪和古生代幔源岩石的Nd（t）值以及年轻的洋内岛弧（IOA） 和洋岛玄武岩（OIB）的Nd（t）值范围（据DePaolo, 1988简化）, DM：地幔Nd同位素线性亏损演化模式，DM'：地幔源区Nd同位素渐 进亏损演化模式