U-Th He测年
锆石测年基本原理
一、基本原理1、锆石的物理性质锆石的主要成分是硅酸锆,化学分子式为Zr[SiO4],除主要含锆外,还常含铪、稀土元素、铌、钽、钍等。
由于锆石常含有Th 、U ,故测定锆石中的Th/U 的含量的由它们脱变而成的几种铅同位素间的比值以及它们与U 的比值,可测定锆石及其母岩的绝对年龄。
由于Pb 同位素很难进入锆石晶格,锆石结晶时的U 与Pb 发生强烈分馏,因此锆石是良好的U-Pb 同位素定年。
此外,越来越多的研究表明,锆石环带状增生的形象十分普遍,结合微区定年法就可以反映与锆石生长历史相对应的地质演化过程。
锆石同时还是很可靠的“压力仓”,能够保存来自其母岩或早期变质作用的包裹物。
锆石晶体呈四方双锥状、柱状、板状。
锆石颜色多变,与其成分多变有关;玻璃至金刚光泽,断口油脂光泽;透明至半透明。
解理不完全;断口不平坦或贝壳状。
硬度7.5-8。
相对密度4.4-4.8,性脆。
当锆石含有较高量的Th 、U 等放射性元素时,据放射性,常引起非晶质化,与普通锆石相比,透明度下降;光泽较暗淡;相对密度和相对硬度降低;折射率下降且呈均质体状态。
锆石按成因分为高型锆石和低型锆石。
宝石学中依据锆石中放射性元素影响折光率、硬度、密度的程度将它分为“高型”、“中间型”、“低型”三种。
锆石属四方晶系。
晶体形态呈四方柱和四方双锥组成的短柱状晶形,集合体呈粒状。
强的晶格能和对Pb 的良好保存性,丰富的、可精确分析的U 含量和低的、可忽略的普通Pb 含量是其特点。
锆石U-Pb 体系是目前已知矿物同位素体系封闭温度最高的,锆石中Pb 的扩散封闭温度高达900℃,是确定各种高级变质作用峰期年龄和岩浆岩结晶年龄的理想对象。
另外,锆石中含有较高的Hf 含量,大多数锆石中含有0.5-2%的Hf ,而Lu 的含量较低,由176Lu 衰变成的176Hf 极少。
因此,锆石的176Hf/176Lu 可以代表锆石形成时的176Hf/177Hf 初始比值,从而为讨论其成因提供重要信息。
川东北地区构造-热演化探讨——来自(U-Th)/He年龄和Ro的约束
vtnt f ca c n p tea dz c n( - h/ aigmeh d . ors o dn a s r t no efrln ai i ii rl tnea da ai n i o U T ) d t to s C r p n igt at nf mai f h ea db sn r eee t r He n e o r o o t o
( . ttK y aoaoyoP t l mR suc n rset g (hn nvr t oP t l m B On )B in 0 2 9 C i ; 1Sae e brt e oe eore d o cn ,C iaU i syf e oe , e'g, e g12 4 , hn L r f r u a P p i ei r u i i f a 2R sac etro ai a dR sr i C iaU i rt e o u , e g 12 4 , hn ; . eer C nefr s n e v r hn n e i o t l m B n 0 2 9 C i h B n eo, v sy fP r e a 3 Wui eer s tto P t l m G ooy SNO E , x 1 1 1C ia 4 C IO B nl A6 0, ut l . x Rsac I tue h n i e o u el , I P C Wui 4 5 , hn ; . SR , et yW 12 A s ai f re g 2 e r a)
第5章4-U-Th-Pb
各类岩石中U,Th,Pb的平均含量
Rock type Chondrites (球粒陨石) Achondrites (无球粒陨石) Iron meteorites (铁陨石) Ultramafic rocks (超镁质岩) Gabbro (辉长岩) Basalt (玄武岩) Andesite (安山岩) Nepheline syenite (霞石正长岩) Granitic rocks (花岗质岩石) Shale (页岩) Sandstone (砂岩) Carbonate rocks (碳酸盐岩) Granitic gneiss (花岗质片麻岩) Granulite (麻粒岩)
❖ Th只有一个同位素232Th,是放射性同位素; ❖ Pb有四种同位素:204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb ❖ 238U,235U和232Th的衰变反应为:
U、Th的放射性衰变反应
238U 234 Th ...... 226 Ra 222 Rn ...... 210 Pb ...... 206 Pb 235U 231 Th ...... 227 Th 223 Ra ...... 211 Bi ...... 207 Pb 232Th 228 Ra ...... 224 Ra 220 Rn ...... 212 Pb ...... 208 Pb
➢ 在氧化条件下,U形成UO22+络合物(U价态为的+6),易 溶于水,此时为活动元素(mobile element)。
➢ U和Th在硅酸盐矿物中的含量很低,含U,Th的主要 矿物有:uraninite (沥青铀矿),thorianite(方钍石), zircon(锆石),thorite(硅酸钍矿),allanite(褐帘石), monazite(独居石), apatite(磷灰石),xenotime(磷钇 矿),sphene(榍石)
一、LA-ICPMS锆石U-Pb测年技术
锆石一般无色透明,但常具浅棕,粉红,有时深 色。一般颜色深成因复杂,多为老锆石或U、Th 含量高的。
锆石是四方晶系矿物
锆石的结构
单偏光下
16
正交偏光下
17
常 呈 矿 物 包 裹 体
18
锆石内部结构的观察
HF酸蚀刻法 Smiling zircon
背散射电子图像(BSE imaging)
阴极发光电子成相(CL imaging)
二、锆石U-Pb年代学
1. 锆石(ZrSiO4)、(☆ ☆ ☆ ) 2. 斜锆石(ZrO2)、 3. 独居石((Ce,La,Th,Nd,Y)PO4)(Th-Pb) 4. 磷灰石(Ca5(PO4)3(OH,F,Cl))、 5. 榍石(CaTiSiO5)、 6. 石榴石(X3Z2(TO4)3 (X = Ca, Fe, etc., Z = Al, Cr, etc., T = Si, As, V, Fe, Al) ) 7. 金红石(TiO2)、 8. 钙钛矿(CaTiO3)、 9. 钛铁矿(FeTiO3)、 10. 锡石(SnO2) 11. 方解石(CaCO3) (Faure and Mensing, 2004)
21
定年基础
235U→207Pb, 238U
→ 206Pb, 232Th → 208Pb,其中间 字体寿命短可以忽略,因此,可将206Pb、207Pb、 208Pb视为直接由238U、235U、232Th形成:
它们的等时线方程:
206Pb 207Pb 208Pb
= 206Pbi + 238U(eλ238t – 1) = 207Pbi + 235U(eλ235t – 1) = 208Pbi + 232Th(eλ232t – 1)
不纯碳酸盐U-Th等时线定年及同位素分馏对年龄的影响
F tp ti ,1 9 ;L oa dKu 9 1 。应 当 指 出 i ar k 9 1 u n ,1 9 ) z c
应 用这些 技术 取得 的 一些 结 果 是 成 功 的 , 有 一些 而 结 果与地 质背 景相去 甚远 。存在 的 问题可能 主要有 两个 方 面 : ①理论 上 的假定 前 提 不 符合 被 测 对 象 的 实 际情况 ; ②操作 者 对 等 时线 技 术 的误 解 或 者 实验
( e a ., 1 79; Ku nd Ku t 1 9 a Li n a g,1 8 9 4;H e c e rzg
的数 十年 中 , 酸 盐 的 u— h精 确 定 年 已经 应 用 到 碳 T 3 0k P 以来 的一 系 列 地 质 、 5 aB 气候 及 考 古 等 问 题
( t 1 Ku e .,1 7 ;Kua dJ s i 9 1 a 94 n o h ,1 8 ;Ed r se wa d t
a ., 1 87;La h m nd S h a c 1 9 t a a c w r z, 1 2; Ga l t 99 lup e a., 1 95; K a f a e a ., 1 98; K e l e a ., 1 9 um n t 1 9 ly t 1
2 0 ; t 1, 0 4 h ne 1,2 0 ;吴 中 海 0 0 Mae . 2 0 ;S e t . 0 4 a a
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等 ,0 4 郑绵平 等 ,0 6 Z e ge 1 ,2 0 ) 20 ; 2 0 ; h n ta . 0 7 。尤 其是 U 系高精度 ( I T MS或 I P MS 定 年技 术 的发 C — )
放射性元素的衰变(课件)高中物理(人教版2019选择性必修第三册)
0
30
30
1e
(4)15P→14Si+________________________;
1
90
136
1
(5)235
U+________________________→
92
38Sr+ 54Xe+100n;
0n
1
14
4
17
1H
(6) 7N+2He→ 8O+________________________。
→
′
′
+ + −
(2)衰变次数n 和 m
质量数守恒: A A '+ 4n
A A'
解得: n =
4
电荷数守恒:
Z Z '+ 2n m
A A'
m=
Z ' Z
2
【注意】为了确定衰变次数,一般是由质量数的改变先确定α衰变的次数,这是因为
β衰变的次数的多少对质量数没有影响,然后再根据衰变规律确定β衰变的次数。
俘获一个α粒子,产生
13
15并放出一个粒子
C. 115俘获一个质子,产生 84并放出一个粒子
D. 63俘获一个质子,产生 32并放出一个粒子
1、半衰期(τ)
放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间。
氡的衰变
m/m0
t /天
1/2
3.8
1/4
2×3.8
1/8
3×3.8
1/16
A.1∶4
B.4∶1
C.2∶1
D.1∶2
核反应
1、定义:原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核或发生状态变化的过程。
同位素测年原理与方法
ppm表示一百万份重量的溶液中所含溶质的重 量(用溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表 示的浓度,也称百万分比浓度)。百万分之几, 就叫几个ppm。 ppm=mg/kg=mg/L ppm=溶质的重量/溶液的重量*106。 1ppm可表示为1×10-6克 1升极稀的水溶液其密度可作为1,因此1 升水的重量为106毫克。若1升极稀水溶液中含1 毫克的某物质,则其浓度相当于1ppm。 1毫克=1000微克,因此该物质的浓度又为 1000ppb。
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这一元素以防止它被吸附在离子树脂上。 取由铅阴离子树脂柱淋洗下来的溶液。蒸发致干,加入2ml4NHCl,蒸干。然后加入5ml抗坏血酸江 (1g+20ml4 mol/LHCl),静止10分钟左右直到黄色的三价铁离子逐渐消去。准备上柱。 此交换柱的大小与分离铅的离子交换柱大小一样。以处理好的树脂在1 mol/L HCl中装到交换柱上,树脂 (Dowexlx8)高为6cm。首先用10ml mol/L HCl液洗柱 ,流干。再用10ml抗坏血酸液洗除干扰元素,再用 15ml 4 mol/L HCl 洗去抗坏血酸。最后用8ml 1 mol/L HCl 洗提铀,蒸干,准备上质谱。 以上的两个流程均在超净工作台中进行。 (二)、 黄铁矿化学流程 黄铁矿在玛瑙乳钵中被磨碎。 取约0.1克的样品。 加入适量的HCl,待硫被赶尽后。 加入适量的HNO3蒸干样品。 加入混合溶液(12ml1.5mol/L HBr+1ml2mol/LHCl)。 然后该溶液在柱高2ml Dowexlx8 AG树脂中进行交换。(交换住首先用20ml 9mol/L HCl 和 20ml H2O最后用 6ml 1mol/L HBr 处理),样品溶液在柱上流干。 8ml 1mol/L HBr,洗去柱上的杂质。 8ml 2mol/L HCl 洗去柱上的杂质。 最后铅用6ml 9mol/LHCl 洗下。 蒸干准备上质谱。 (三)、方铅矿化学流程 取约0.1克的样品。 首先加入少量的浓HCl,赶尽硫后。 加入少量的浓HNO3蒸干样品。 加入适量的高纯水,准备上质谱计。 三、质谱测定 铅测定使用硅胶磷酸发射剂,单带源。 铀测定使用磷酸上样,三带源。 质谱计测定使英国VG公司的1 SOMASS54 质谱仪,离子束等效轨道半径为54 cm ,偏转900采用双向质量聚 焦。接吸附如小型静电分析器作为能量过滤。实现质能双聚焦。离子传输率为1/500铀原子,质量数范围1~350, 分析重现性0.05%仪器用HP9845B计算机自动控制。16个样品以内的换样发射聚焦,接收,磁场峰跳测试及数 据积累和打印实现程序自动操作。
U-Th He测年
R—球状矿物的半径。
二、(U-Th)/He测年技术的方法步骤 —以磷灰石为例
1、样品制备
筛选矿物→挑选晶体→计算校正参数FT
采集的岩石样品首先要进行矿物的分选,包括破碎、碾磨、过筛、淘洗、重液 分离和磁选分离,得到磷灰石矿物颗粒(锆石颗粒同理)。
然后在双目显微镜下从分选出来的重矿物精矿中手工挑选自形磷灰石晶体。
3.2 在低温热演化史上的应用
由于(U-Th)/He的衰变与扩散间的关系特性,使(U-Th)/He年龄值与样品的海 拔高度有密切的相关性 ,像裂变径迹年龄特性一样 ,在没有异常热扰动情况下 , 海拔高的样品有较 高的(U-Th)/He年龄值,而且利用其封闭温度可以了解热事 件发生的时间,因此人们可利 用(U-Th)/He系统进行地质体热演化及折返样式 研究。 House等就通过磷灰石(U-Th)/He的定年开展了对美国加里佛尼亚内华达 (Nevada) 山脉中部地区新生代热演化研究 ,得出海拔最低处的He年龄最年轻, 样品的He年龄值随海拔高度的增加而增加。该区约塞米蒂(Yosemite) 峡谷的 He 年龄为43~84 Ma BP, 金斯(Kings) 河谷的He年龄为32~74 Ma BP, 怀特 (Whintney)山的He年龄为23~75Ma BP;从约塞米蒂峡谷到怀特山(由东向西) 同一海拔的样品,其He年龄趋变年青,反映出该区冷却发生方向为由东向西 ,暗
2、磷灰石晶体的释气与He浓度测试
将单颗粒样品放入金属箔容器中,用激光束恒温加热,温度为1000~1300℃,时间为 3~5 min。然后对提取出来的4He加入约9 ncc(1 ncc=1×10-9mL)的3He,在低温条件 下 (16 K)用活性炭进行聚集、纯化,将提纯后的 He输入质谱仪中 ,在静态模式下测
电子探针UThPb测年的应用
电子探针定年(化学U-Th-Pb等时线)年龄计算的基本程序 如下:首先通过w(ThO2)、w(UO2)和w(PbO)数据求解方程 (h)获得表面年龄t:
2电子探针化学测年技术在地学中的 应用
• (1)岩石包体年龄研究。许多岩浆岩,特别是中酸性岩
中常含有变质岩、岩浆岩包体,而这些包体中往往又含 有锆石、磷灰石等矿物,因而我们可以测这些岩石包体 的形成年龄。结合寄主岩浆岩的年龄,还可对该区的深 部地质过程进行年代讨论。 (2)矿床形成年代研究。伟晶岩矿床及与花岗岩有关的 热液矿床中常共生产出锆石、独居石、磷钇矿等矿物, 得到了这些矿物的形成年龄,也就大致确定了矿床的形 成年代。
•
• (3)热液活动事件定年。锆石、斜锆石等矿物有时也可
产在与碱性超基性岩有关的碳酸岩中及热液形成的沸石 脉、碳酸盐脉、萤石脉中,用电子探针化学测年方法测 出锆石等矿物的形成年龄,即可判断出热液活动发生的 年代。
• (4)电子探针具有高的空间分辨率(约1μm),能对矿物颗
粒做精细的化学成分扫描工作。矿物化学成分的环带结 构也暗示着矿物形成年龄的环带分布。矿物形成后,许 多情况下会受到后期的地质作用影响,发生重结晶再生 长。电子探针化学测年方法能描绘出矿物中不同部分的 年龄结构,以分析地质事件的演化历史。这也反映了该 区岩石经历的由地壳深部抬生至浅部并遭剥蚀作用的演 化历史。
•
• •
感谢刘老师的辛 勤教学 谢谢各位同学
1、电子探针测年的基本原理方法
• 电子探针U-Th-Pb定年方法也称化学U-ThPb等时线法,定年对象主要为U、Th元素 含量高的独居石、锆石等矿物。它是基于 以下基本假设和前提:天然Th主要由同位 素232Th组成,U主要由两种放射性同位素 235U和238U组成,这些放射性同位素衰变成 Pb同位素,其衰变规律为: 232Th→6α+4β+208Pb (a) • 235U→7α+4β+207Pb (b) • 238U→8α+6β [1]龚沿东, 电子探针(EPMA)简介, 电子显微学报[J].2010,29(6):578• • • •
锆石测年基本原理
一、基本原理1、锆石的物理性质锆石的主要成分是硅酸锆,化学分子式为Zr[SiO4],除主要含锆外,还常含铪、稀土元素、铌、钽、钍等。
由于锆石常含有Th 、U ,故测定锆石中的Th/U 的含量的由它们脱变而成的几种铅同位素间的比值以及它们与U 的比值,可测定锆石及其母岩的绝对年龄。
由于Pb 同位素很难进入锆石晶格,锆石结晶时的U 与Pb 发生强烈分馏,因此锆石是良好的U-Pb 同位素定年。
此外,越来越多的研究表明,锆石环带状增生的形象十分普遍,结合微区定年法就可以反映与锆石生长历史相对应的地质演化过程。
锆石同时还是很可靠的“压力仓”,能够保存来自其母岩或早期变质作用的包裹物。
锆石晶体呈四方双锥状、柱状、板状。
锆石颜色多变,与其成分多变有关;玻璃至金刚光泽,断口油脂光泽;透明至半透明。
解理不完全;断口不平坦或贝壳状。
硬度7.5-8。
相对密度4.4-4.8,性脆。
当锆石含有较高量的Th 、U 等放射性元素时,据放射性,常引起非晶质化,与普通锆石相比,透明度下降;光泽较暗淡;相对密度和相对硬度降低;折射率下降且呈均质体状态。
锆石按成因分为高型锆石和低型锆石。
宝石学中依据锆石中放射性元素影响折光率、硬度、密度的程度将它分为“高型”、“中间型”、“低型”三种。
锆石属四方晶系。
晶体形态呈四方柱和四方双锥组成的短柱状晶形,集合体呈粒状。
强的晶格能和对Pb 的良好保存性,丰富的、可精确分析的U 含量和低的、可忽略的普通Pb 含量是其特点。
锆石U-Pb 体系是目前已知矿物同位素体系封闭温度最高的,锆石中Pb 的扩散封闭温度高达900℃,是确定各种高级变质作用峰期年龄和岩浆岩结晶年龄的理想对象。
另外,锆石中含有较高的Hf 含量,大多数锆石中含有0.5-2%的Hf ,而Lu 的含量较低,由176Lu 衰变成的176Hf 极少。
因此,锆石的176Hf/176Lu 可以代表锆石形成时的176Hf/177Hf 初始比值,从而为讨论其成因提供重要信息。
中国大陆科学钻探(CCSD)UHP岩石石英脉中磷灰石团块独居石出溶物的U-Th-Pb化学定年
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(编号: DA$__!D# ) 、中国科学院同位素年代学和地球化学实验室合作基金 ( (6(6E0ZA@AD ) 、 国家重点基础研究发 ! 本文由国家自然科学基金 展规划项目 (_B$ 项目) ( 编号: #AA$P^B!C@A! ) 和中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室开放基金 (编号: #AA$A!@ ) 联合资助? 第一作者简介:汤倩,女, !_B\ 年生,在读硕士生,地球化学专业,<ZW+*I:88EEVWa NE>? 8;>? M,
(+,- .,"/, 01,0/ 2,3)+4 5,24+,- 62,24+,- 7% +,8 ")9, :; <==>; $’()’&* !)9?4@+A 8+B4,- CD ?C,+E4B9 9FGCA/B4C,G 4, +H+B4B9 +--I9-+B9G 4, J/+IBE K94,G CD $%& IC@LG DIC? B)9 !)4,9G9 !C,B4,9,B+A "@49,B4D4@ #I4AA4,-( !!"# ) &ICM9@B; !"#$ %&#’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’ +22H82+G8E *, GT8 PP-Q .5R H0MSE? :9T UCI8G " " PT8W*M+I ;+G*,2,10,+N*G8 8VE0I>G*0,E,&K+G*G8,)>+HGN F8*,,<MI02*G8,RI+G8 8VT>W+G*0,,PT*,8E8 P0,G*,8,G+I -M*8,G*J*M QH*II*,2( PP-Q) 摘" 要" " PP-Q 主孔榴辉岩等 .5R 岩石石英脉中存在团块状到不规则脉体状的磷灰石集矿的连生体、 赤铁矿、 独居石和锶重晶石;出溶物的长轴和生长方向均基本平行于磷灰石之 P 轴, 长 约 @A Y B@ !W。运 用 显示它们可能是基本同时出溶的。其中独居石出溶体多为菱形到板状自 形 晶 体, 宽 约 C Y !A !W, P561< 化学定年方法对 PP-Q 磷灰石团块中的独居石出溶物进行了年代学研究, 获得其 %TZRX 等时线年龄为 #A# [ #\] $1+, 表明磷灰石团块形成于榴辉岩在折返过程中的重结晶和退变质, 时代为晚三叠世。该年龄可能也代表了 PP-Q 中 .5R 岩石中 包裹磷灰石团块的石英脉的形成时代。 关键词" " 化学定年;独居石出溶物;磷灰石;石英脉;榴辉岩;板块折返;中国大陆科学钻探 ( PP-Q) 中图法分类号" " R@_B? $ ;R@\\? $D\ ;R@B\? _##
帕米尔东缘晚中新世以来多阶段隆升-剥露过程:来自裂变径迹和(U-Th)/He低温热年代学的制约
2023/039(12):3685 3700ActaPetrologicaSinica 岩石学报doi:10.18654/1000 0569/2023.12.10孟云,尹继元,肖文交等.2023.帕米尔东缘晚中新世以来多阶段隆升 剥露过程:来自裂变径迹和(U Th)/He低温热年代学的制约.岩石学报,39(12):3685-3700,doi:10.18654/1000-0569/2023.12.10帕米尔东缘晚中新世以来多阶段隆升 剥露过程:来自裂变径迹和(U Th)/He低温热年代学的制约孟云1,2 尹继元2 肖文交3 THOMSONStuartN 4 王雅美1,2 陈文2 李大鹏1 吴明轩1,2MENGYun1,2,YINJiYuan2 ,XIAOWenJiao3,THOMSONStuartN 4,WANGYaMei1,2,CHENWen2,LIDaPeng1andWUMingXuan1,21 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 1000832 中国地质科学院地质研究所,自然资源部同位素地质重点实验室,北京 1000373 中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆矿产资源研究中心,乌鲁木齐 8300114 美国亚利桑那大学地球科学系,图森 857211 SchoolofEarthScienceandResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China2 MNRKeyLaboratoryofIsotopeGeology,InstituteofGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China3 XinjiangResearchCenterforMineralResources,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China4 DepartmentofEarthSciences,UniversityofArizona,Tucson85721,USA2023 05 01收稿,2023 09 04改回MengY,YinJY,XiaoWJ,ThomsonSN,WangYM,ChenW,LiDPandWuMX 2023 Multi stageupliftandexhumationprocessesintheeasternPamirsinceLateMiocene:Constrainedbyfissiontracksand(U Th)/Hethermochronology.ActaPetrologicaSinica,39(12):3685-3700,doi:10.18654/1000 0569/2023.12.10Abstract Thelargesteast westwardextensionalsysteminthePamirorogenicbeltisdevelopedintheeasternPamir,whichplaysacrucialroleinunderstandingregionaltectonicevolution However,thereisalackofeffectiveconstraintsonuplifttiminganddynamicmechanismsofthisarea Inthispaper,wepresentnewdataonapatitefissiontrack,zirconandapatite(U Th)/HeanalysesfromaseriessamplescollectedintheCenozoicintrusionrocksintheTashkurganareaoftheeasternPamir Combinedwithpreviousthermochronologicalresults,thesefindingsareusedtoexplorethetectono thermalevolutionanddynamicmechanismsoftheeasternPamirsinceLateCenozoic Theresultsoflowtemperaturethermochronologicalanalysisrevealthattheapatitefissiontrackagesarerangingfrom2 5Mato2 7Maandfrom8 7Mato11 5Ma,theapatite(U Th)/Heagesrangefrom2 3Mato4 5Ma,whilethezircon(U Th)/Heagesare3 2±0 3Ma Bycalculatingtheexhumationratesoftheaforementionedsamples,weproposedtheoccurrenceoftwoperiodsofrapidcoolingintheeasternPamir,i e ,theLateMiocene(12~8Ma)andthePliocene Quaternary(5~1Ma),andcalculatedtheirexhumationrateswhichiscorrespondentlyrangefrom0 19~0 48mm/yrand0 58~4 00mm/yr,respectively DuringtheLateMiocene,thetectonicdeformation,magmatismandmetamorphismeventsoccurrednearlysimultaneouslyintheeasternpartofthePamir,whichmaybelinkedtotheinitialcollisionbetweenthePamirandthesouthernTianshanorogenicbeltcausedbythenorthwardsubductionoftheIndianPlatebeneaththePamirTerraneduringtheLateMiocene Thiscollisioncontributedtofurthercrustalthickening,resultinginanunevendistributionofgravitywithinthePamirlithosphereandtriggeringgravitationalcollapse ThecoolingprocessfromthePliocenetotheQuaternarywaslikelyinfluencedbythecontinuousextensionaldeformationafterthegravitationalcollapse,whiletheerosionduringthisperiodcausedbyglaciers,riversandtheclimatevariationsfurtherenhancedtheexfoliation,leadingtoasignificantlyfasterexhumationratecomparedtotheLateMioceneoneKeywords EasternPamir;LateCenozoic;Lowtemperaturethermochronology;Upliftandexhumation;Gravitycollapse摘 要 帕米尔东缘发育帕米尔造山带内最大的东西向伸展系统,对理解区域构造演化具有重要意义。
铅同位素地球化学及U-Th-Pb法年龄测定
铅同位素主要特性及其在地质科学研究中的应用摘要:本文前半部分简要概括了铅及铅同位素的主要化学特征。
在后半部分,列举了铅同位素在地球科学研究中的若干应用:比如地质年龄测年以及测年中应该注意的内容;铅同位素演化与构造环境;区域铅构造-地球化学省;铅同位素的地质示踪作用等。
关键词:铅同位素 U-Th-Pb测年同位素演化与构造环境同位素示踪一、铅及铅同位素的主要特征(1)铅的主要特征铅是自然界中常见的元素之一,原子序数为82,原子量为207.2,位于元素周期表第六周期第ⅣA族。
铅属亲硫元素,但它除具有亲硫特性(形成方铅矿)外,还具有亲氧特性。
后者表现为铅以类质同象形式存在于某些硅酸盐矿物中。
铅能与钾、锶、钡、钙等产生类质同象替换,是因为他们的离子半径相似,铅为1.32Å、钾为1.33Å、锶为1.27Å、钡为1.43Å、钙为1.06Å。
此外,在许多火成岩,特别是花岗岩的硅酸盐矿物中,发现有微量铅,它们可能是以Pb2+离子形式存在的。
一般而言,从橄榄岩到花岗岩,随着岩石中SiO2含量增加,铅平均含量0.2×10-6逐渐升高至22.7×10-6。
这种相关现象主要同岩浆演化过程中,硅与钾密切共生,而铅与钾的离子半径又十分相似有关。
(2)铅同位素主要特征铅同位素的种类自然界中铅有8种同位素,其中4种是放射性同位素,4种是稳定同位素。
4种放射性铅同位素是:210Pb,211Pb,212Pb和214Pb,它们分别是3个衰变系列的中间产物,即铀系中的210Pb和214Pb。
铀锕系中的211Pb和钍系(中的212Pb。
除半衰期较长的210Pb(T=22.3a)可用于测定100a以内近代火山作用的年龄外,其他几个放射性同位素由于半衰期很短,在地质上应用不广。
铅的4种稳定同位素是:204Pb,206Pb,207Pb和208Pb。
其中,204Pb是非放射成因铅,迄今还未发现它的放射性母体同位素,因此它可能是在元素合成的过程中产生的。
国际标样FishCanyonTuff锆石的(U-Th)/He年龄测定
锆 石的 He封闭温度较高(约 190℃),在解决沉积盆地物源和热史恢复方面更具优势。但锆石晶体内
的 U、Th分带普遍发 育,浓 度 差 异 明 显,即 使 是 国 际 普 遍 使 用 的 (U-Th)/He测 年 标 样 FCT(Fish
CanyonTuff)的年龄值分散度也可约达 10%。文 中 依 托 中 国 地 震 局 地 质 研 究 所 新 建 立 的 (U-Th)/He
年代学实验室,利用配备的 AlphachronHe同位素 质 谱 仪 对 一 批 FCT锆 石 单 颗 粒 采 用 激 光 加 热 萃 取
后进行 4He含量测定,并应用自动进样的安捷伦 7900ICP-MS和同位素稀释剂法测定母体同位 素 U、
Th的含量,得到 FCT锆石的年龄范围为 2661~3191Ma,加权平均年龄为(288±31)Ma(2SD,n=
〔收 稿 日 期 〕 2019-07-09收 稿 ,2019-08-23改 回 。 〔基 金 项 目 〕 中 国 地 震 局 地 质 研 究 所 基 本 科 研 业 务 专 项 (IGCEA1918)资 助 。
5期
王 英等:国际标样 FishCanyonTuff锆石的(U-Th)/He年龄测定
1303
测年流程相对 于 磷 灰 石 更 为 复 杂,而 年 龄 值 的 分 散 程 度 可 达 10%甚 至 更 高 (Reinersetal., 2002;Tagamietal.,2003;Reiners,2005;Dobsonetal.,2008)。
锆 石 的 (U-Th)/He定 年 技 术 在 中 国 的 应 用 起 步 较 晚 。近 年 来 ,随 着 国 内 (U-Th)/He年 代 学实验室的相继建立,一些实验室已经开始进行锆 石 的 (U-Th)/He定 年 研 究,例 如 中 国 科 学 院地质与地球物理研究所热年代 学 实 验 室、中 国 地 质 科 学 院 地 质 研 究 所 年 代 学 实 验 室 和 中 国 地震局地壳应力研究所热年代学实验室等。中国地震局地质研究所 的 (U-Th)/He年代 学实验 室建立于 2015年,之后已成功地建立了磷灰 石 和 锆 石 的 (U-Th)/He定 年 方 法,并 于 2017年 对蓬 莱 锆 石 进 行 定 年,所 得 的 18个 蓬 莱 锆 石 的 加 权 平 均 年 龄 为 (406±035)Ma(MSWD= 179)(Lietal.,2017)。这 18个样品的年龄具有很好的一致性,表明蓬莱锆石可能是 1个潜在 的(U-Th)/He定 年标 样。本文对 11个 国际通用 的鱼 谷凝灰 岩中 的锆石标 样 (FCT锆石 )进行 了单颗粒(U-Th)/He测 年 工 作,详 细 描 述 了 本 实 验 室 建 立 的 锆 石 单 颗 粒 (U-Th)/He定 年 流 程,所得结果除 1个异常老 的 年 龄 值 外,剩 余 年 龄 的 加 权 平 均 值 为 (288±31)Ma(2SD,n= 10)。该年龄结果与前人 所 获 得 的 FCT40Ar/39Ar年 龄 (2813±047)Ma(黑 云 母 )(Dazéetal., 2003)、U-Pb年龄(28498±0035)Ma(2σ,MSWD=103)(Schmitzetal.,2001)及 FCT锆石的 (U-Th)/He平均年 龄 (283±31)Ma(2σ,n=127)(Dobsonetal.,2008)或 (2829±26)Ma (2σ外部误差,n=114)(Reinersetal.,2006)在误差范围内均一致,表明本 实验室 所建 立的实 验流程可靠。
热电离质谱(TIMS)U—Th年龄测定及其应用研究初探
136.54— 138.99之 间 ,校正 幅 度均 小于 1%。
另外,为了了解实验的情况 ,同时按以上流程进行 了 U和 Th的全 流程 本底测定。
在本底样 品的质谱检测过程中,均检测不到 234和 230的质量 峰, U的全流 程本底 为
8_3×12~2g,而所测样品中 U总量约为 3×l0 g; 可h本底则 小于 l×10 g,而所测
2 原理及实验方法
2.1 基 本原理
和 1 是 。sU放射性衰变系列的两个中间子体:
。 ’ … 一 U 一 Th …
如果以 A 和 分别 代表 u 和 田l的衰 变常数,则 ;1.55125×10 Oa~,L = 2.835 x 10 a~, =9.195 x 10 a一。如果体系满足不含初始 h以及对 U、Th等保持 封闭两个基本条件,则具有以下关系
第 26卷 第 2期
l 9 9 7 年 3 月
地 球 化 学
G E0a {IM ICA
. 7 维普资讯
v0l26.N o 2 M ar..1997
及其应 用研 究初探
第六讲 U-Th-Pb法
应用条件
当样品形成时其初始Pb的量可以忽略或因较小 而可以较准确地扣除时,采用方程a进行定年。 这实际上为锆石U-Pb定年方程; 当样品形成时其初始Pb的含量较高时,其初始 比值相对较大,采用方程b进行定年。事实上, 等式b为线性方程,通过相同地质体多个样品分 析,可获得一条直线,称为Pb-Pb等时线(自己 推导方程)。
其离子半径为1.32 Å ; Pb的独立矿物为方铅矿,而在硅酸盐矿物 中,多与元素K形成类质同象而趋向存在于 钾长石等矿物中; 通常条件下Pb性质稳定,但在高温和酸性 条件下可形成氯或硫的化合物,易溶解于 热液中而发生迁移。
地球化学性质(四)
不同物质中U、Th、Pb的元素含量
Material Chondrites Troilite Basalt Galena Zircon Carbonates 0.009 U(ppm) 0.01 <.01 0.43 trace HUGE 1.9 1.6 trace HUGE 1.2 Th 0.04 5.9 3.7 HUGE trace 5.6 Pb 1.0
ZIRCON ZrSiO4
ZIRCON ZrSiO4
Zircon, Italy
ZIRCON ZrSiO4, Russia
ZIRCON ZrSiO4
ZIRCON ZrSiO4
ZIRCON ZrSiO4
ZIRCON ZrSiO4
锆石是十二月生日石
6.2 地球化学性质(一)
U和Th均属锕系元素,常为+4价,但在地
U (e
235t
232t
208
208
Pb 0
232
Th (e
6.5
电子探针化学测年方法
135Ma 139Ma
繁昌窑青白瓷
电子探针:日本JEOL公司生产,型号为JXA8800M。工作 电子探针:日本JEOL公司生产,型号为JXA8800M。工作 JEOL公司生产 JXA8800M。 条件:加速电压15KeV 探针电流1 15KeV, A,峰位记录时间 条件:加速电压15KeV,探针电流1×10-8A,峰位记录时间 10s,校正程序为ZAF 标样:N 、Mg、Al、K、Ca、Ti ZAF。 :Na 10s,校正程序为ZAF。标样:Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、 采用普通角闪石;S 采用钠长石;P采用正长石( ;Si ;P采用正长石 Fe,采用普通角闪石;Si采用钠长石;P采用正长石(P2O5 =0.49%)。(据冯敏等,2004) 。(据冯敏等 =0.49%)。(据冯敏等,2004)
2) 变质-变形年代研究
矿物颗粒做精细的化学成分扫描工作。矿物化学成分的环带结 构也暗示着矿物形成年龄的环带分布。矿物形成后 ,许多情况 下会受到后期的地质作用影响 ,发生重结晶、再生长。电子探 针化学测年方法能描绘出矿物中不同部分的年龄结构 ,以分析 地质事件的演化历史。鉴于此 ,该方法常用在变质 变形年龄研 究中 ,尤其在造山带构造 热事件年代研究中取得了突出的成果。 M. L. Williams 等及 C. F. Kopf对 加拿大 Saska tchewan 北部 Neil海湾地区古老 变质岩中的独居石 进行了研究。
N (Pb) = N ( Th) [exp (λ232t) - 1 ] + N (U) [exp (λ235t) - 1 ]/ 139
+ N (U) [exp (λ238t) - 1 ] ×138/ 139 (1)
将(1)式中 Pb、Th、U 的原子数换算成对应的氧化物 PbO、ThO2 、UO2 的质量分数,有 :
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R—球状矿物的半径。
二、(U-Th)/He测年技术的方法步骤 —以磷灰石为例
1、样品制备
筛选矿物→挑选晶体→计算校正参数FT
采集的岩石样品首先要进行矿物的分选,包括破碎、碾磨、过筛、淘洗、重液 分离和磁选分离,得到磷灰石矿物颗粒(锆石颗粒同理)。
然后在双目显微镜下从分选出来的重矿物精矿中手工挑选自形磷灰石晶体。
(1-2)
式中:4He、238U、235U、232Th均为时刻t矿物中这些元素的含量, λ238= 1.55125×10-10,λ235= 9.8485×10-10,λ232= 0.49475×10-10,
238U/235U=137.88±0.14(丰度之比),t为累积时间,即所要
求取的年龄值。
方程(1-2)假定在定年矿物晶体中没有原始4He的存在,大多数情况下这个假设 成立。因为在大气中 4 He 的含量为 5 × 10 -6 左右 ( 体积比 ),因此在运用 (U-Th) /He 定年时可忽略大气中 4 He 混入的影响。在这种情况下 , 通过测定矿物中
Farley等(1996)通过研究停止距离对球状、桶状和立方体状矿物晶体中He保存性 的影响,从理论上推导出He的保存率和年龄校正公式。可以简单地表示如下:
F
T
3S S 1 4 R 16R
3
3
(1-3)
实测年龄 校正年龄 F
T
(1-4)
式中:FT—He的总保存率; S—α粒子的停止距离;
3.2 在低温热演化史上的应用
由于(U-Th)/He的衰变与扩散间的关系特性,使(U-Th)/He年龄值与样品的海 拔高度有密切的相关性 ,像裂变径迹年龄特性一样 ,在没有异常热扰动情况下 , 海拔高的样品有较 高的(U-Th)/He年龄值,而且利用其封闭温度可以了解热事 件发生的时间,因此人们可利 用(U-Th)/He系统进行地质体热演化及折返样式 研究。 House等就通过磷灰石(U-Th)/He的定年开展了对美国加里佛尼亚内华达 (Nevada) 山脉中部地区新生代热演化研究 ,得出海拔最低处的He年龄最年轻, 样品的He年龄值随海拔高度的增加而增加。该区约塞米蒂(Yosemite) 峡谷的 He 年龄为43~84 Ma BP, 金斯(Kings) 河谷的He年龄为32~74 Ma BP, 怀特 (Whintney)山的He年龄为23~75Ma BP;从约塞米蒂峡谷到怀特山(由东向西) 同一海拔的样品,其He年龄趋变年青,反映出该区冷却发生方向为由东向西 ,暗
晶体的挑选要求比较高 ,挑选时尽量确保磷灰石晶体不含包裹体 ,因为对于流体包裹 体,里面可能含有壳源或幔源的He,从而使测得的He浓度偏高;而锆石包裹体,会产生 多余的U、Th。此外,由于α粒子射出效应的影响,晶体最短轴直径最好为60~70Lm。 用经过校正的数码相机对挑选出的磷灰石晶体的形状、尺寸进行测量、照相, 计算出校正参数FT,进行年代校正。
4He/3He比值。
3、U、Th含量测试
将测试完4He/3He的样品放入经过校准的229Th和233U溶液,然后将样品在浓度约 30%的HNO3中溶解,待样品完全溶解并混合均匀后,用等离子质谱仪来测量238U/233U 和232Th/229Th的比值
4、年龄计算
根据公式1-2、公式1-3、公式1-4便可计算出矿物在He同位素体系封闭以后所 经历的时间。
238U和232Th的含量,就可以获得(U-Th)
/He的年龄。 4He原子核又称为
ɑ粒子,是由238U、235U和232Th通过一系列放射性衰变产生的。衰变方 程如下:
238U→206Pb+84He+6β-
235U→207Pb+74He+4β-
232Th→208Pb+64He+4β-
由同位素定年的基本公式:D=N(eλt-1)
(顶部)榍石的He年龄由18.6+1.5 Ma变化为195±15 Ma,显示了较大变化,而这 种变化表明西部地质体在15~16 Ma BP时经历过地热梯度的变化,即该区发生 了新的热事件,利用之对该区热演化过程及样式进行反演。 Lippolt用(U-Th)/He定年方法获得了意大利厄尔巴(Elba)赤铁矿矿床内 镜铁5.39±0.46Ma 的He表观年龄,提出(U-Th)/He技术对地质体热演化的探讨 可扩展到上新世之后。 显然(U-Th)/He年龄既可以用于年代很新的地质体的定年,也可以约束时 代较老的地质体最后一次热事件发生的时间,结合其它封闭温度较高的同位素 定年体系可以进行系统的热演化分析。
3.1 地质体定年
Kohn利用(U-Th)/He方法测得新西兰北岛Rangitawa Tephra的新生代流
纹质黑耀岩和火山玻璃中磷灰石和锆石的(U-Th)/He年龄为37.1±0.45Ma,该 年龄值为黑耀岩的形成年龄;Rein-ers测得美国内华达洲南维尔京(Virgin)山
GoldButte构造区磷灰石的He年龄为15.2±1.0 Ma,从构造区西部(底部)到东部
三、(U-Th)/He测年技术的地质意义
与其它定年方法相比, (U-Th) /He定年体系最大的的优点是对低温条件的
敏感性。研究表明,磷灰石氦封闭温度为45~90℃(冷却速率为10℃/Ma时,封闭 温度为75± 7℃ )比任何其它已知定年方法的同位素封闭温度都要低。因此,
可将此方法用于地质体定年、低温热年代史演化、地形地貌演化等研究。
4He、238U和232Th的量,利用方程(1-2)就可以算出矿物在He同位素体系封闭以
后所经历的时间。
1.2 公式校正 当U、Th衰变产生的ɑ 粒子会以巨大的初始动能而被发射出来,因此它
会运动到离母体一定距离后停下来,这就是ɑ粒子的长停止距离效应,并且
将造成部分He的丢失。放射出来的ɑ粒子一般具有4~8MeV的动能。停止距 离是指从母体到ɑ粒子停止下来的直线距离,一般范围是11~34μm。
2、磷灰石晶体的释气与He浓度测试
将单颗粒样品放入金属箔容器中,用激光束恒温加热,温度为1000~1300℃,时间为 3~5 min。然后对提取出来的4He加入约9 ncc(1 ncc=1×10-9mL)的3He,在低温条件 下 (16 K)用活性炭进行聚集、纯化,将提纯后的 He输入质谱仪中 ,在静态模式下测
示着该区的折返始于东部,后期的加热则始于西部。
3.3 在地形地貌演化上的应用
由于磷灰石U-Th/He具有较低的封闭温度,近地表条件的变化都可能使它受到影响。 冷却年龄对于地壳上部几km的长波地形(long-wavelengh topography)十分敏感。在长 波地形的河谷下面,岩石的冷却比较早,冷却年龄比较大;在山脊上却正好相反。 House(1998) 正是利用这一特点 , 测定了 Sierra Nevada 的古地形年龄 , 说明 San Josquin和King rivers大峡谷最晚的切割时间为70~80 Ma。在Sierra Nevad放射衰变的时间,即地质体年龄;
D—放射性成因的稳定子体同位素的量; N—经过t时间后,现在所剩下的放射性母体同位素; 可知,由U、Th衰变产生4He子体同位素的基本方程为:
4He=8238U[exp(λ 235U[exp(λ 232Th[exp(λ 238t-1)]+7 235t-1)]+6 232t-1)]
体上,沿200 km长的剖面,在约2 km的高程收集了36个样品,测试了它们的U-Th/He年龄,
年龄范围为距今44.5~84.6 Ma。测试结果如图所示,年龄和地形有很好的对应关系
磷灰石U-Th/He年龄与地形的关系图
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(U-Th)/He同位素测年技术
目
录
一、(U-Th)/He测年技术原理
二、(U-Th)/He测年技术的方法步骤 三、(U-Th)/He测年技术的地质意义
一、(U-Th)/He测年技术原理
1.1技术原理 (U-Th) /He定年原理是根据矿物颗粒中U、Th放射性衰变产生He发 展而来的。通过测量矿物样品中放射性衰变产物 4 He 、母体同位素