第四章 同位素地球化学2(2012)

-decay
38 37
87
# prot ons
Sr
87
Rb
n eo l uc
8 8
49 50 # neutrons
s
第四章 放射性同位素地球化学

# prot ons
8 86
#
7
n
-decay
92 91 90
234 238
U
Th
23 23
# n
23 8
144 145 146 # neutrons
Rb/Sr比差异，在等时线图上有较大的87Rb/86Sr展布，易得到比较 精确的等时线。）
单矿物 Rb-Sr等 时线
2、陨石的Rb-Sr定年
意义：
1. Since most stony meteroites have yielded similar Rb-Sr dates and innitial 87Sr/86Sr ratios, the isotope composition of Sr at the time of formation of the solar system appears to have been homogeneous.
钾矿物及富含钾的矿物和岩石是Rb-Sr法的主要采样对象
锂云母
天河石
海绿石
光卤石
不同岩石中Rb、K、Sr、Ca的平均含量（单位：10-6）
岩浆分离结 晶作用过程 中： Sr趋向于在 早期形成的 钙(质)斜长石 中富集
而Rb富集于 岩浆残留液 相中，最终 进入富钾矿 物，或少量 的成为独立 矿物。 在逐渐结晶过程中，残余岩浆的Rb/Sr比值随分
2、地幔-地壳的Sr同位素组成和演化
地球锶同位素演化(Krauskopf,1995) A代表假定的在地球形成初期陨石均一储库0.699的87Sr/86Sr比值,AD表示变为地球 的地幔均一储库中该比值的变化.如果Rb/Sr比值为0.7015的一批地壳物质在约 2.9×109年时从地幔分离,BC表示其Sr同位素比值的增加-假定没有其中任何元素加 入或分出.BE表示相应的地壳物质源于Sr亏损的地幔部分同位素比值的变化.
1937年，Hemmendinger等确认Rb的天然放射性来 自同位素87Rb的β-衰变。
1946-1948年，Ahrens系统研究利用87Rb的衰变测定 地质年龄。 1959年前后，提出Rb-Sr等时线。
主要内容:
1. Rb，Sr地球化学性质
2. Rb-Sr同位素测年原理 3. Rb-Sr同位素示踪原理
若岩石化学成分发生了变化，Rb，Sr发生了带入
和带出，则不能用Rb-Sr法定年(全岩开放系统)；
总之： 变质作用会使Sr同位素重新均一化
小范围的均一化：全岩等时线为代表岩石形成 年龄，矿物等时线为变质年龄。 大范围的均一化：均代表变质年龄。
测年小结
1.Rb-Sr等时线法主要适用于测定基性、中性和中酸性岩浆岩 的形成年龄。 2.变质作用过程中，若矿物Rb-Sr同位素体系开放，但全岩的 同位素封闭，则全岩等时线年龄给出原岩的年龄，而矿物等 时线年龄给出了最后一次变质事件的年龄。 3.变质作用过程中，若全岩Rb-Sr同位素系统被改造，等时线 年龄往往不能提供变质岩原岩形成年龄的信息，只代表变质 事件的年龄或无意义的年龄信息。 4.Rb-Sr等时线法很少用于沉积岩年龄测定，如采用该方法， 必须对矿物进行详细的研究，且对制样的要求也非常严格。
一、 Rb、Sr的地球化学性质
1、Rb地球化学性质
⑵Rb+的离子半径(1.48Å)； K+的离子半径((1.33Å)，在含K的矿物中，Rb+能替代K+； 既是微量元素又是分散元素，不能形成独立矿物。
⑴碱金属（Alkali metal）元素，大离子亲石元素，不相容元素。
主要矿物：云母类(Micas )，钾长石(K-feldspar )（正长石和微斜 长石），粘土矿物(clay minerals )，蒸发盐(evaporite minerals ) （钾盐和光卤石）
87 Sr 87 Sr 87 Rb t 86 = 86 + 86 (e 1) Sr Sr 0 Sr
1、岩浆岩Rb-Sr等时线定年
基本假设： 岩浆的整个冷却过程中Sr同位素是均一的，即从岩 浆中形成的所有矿物或岩石具有相同的锶同位素初
D D N t D D D e 1 s s s 0
上节课主要内容：
**同位素体系的封闭性
放射性同位素丢失
D D0 N (e 1)
t
子体同位素丢失
母体和子体同位素增加
Thomson等(1905)首次发现Rb具有天然放射性，
曾用3种不同方法测定87Rb半衰期，得到30多个 值，不同结果间偏差约±6%，年龄误差5%～ 6%。
国际地科联地质年代学委员会(1976)推荐采用 87Rb的 T =4.88×1010a，λ=1.42×l0-11a-1。 1/2 这个值一直延用至今。在此之前，国内外曾经 用过λ=1.39×10-11a-1或λ=1.47×10-11a-1等值。
(3)自然界铷有2种同位素： 85Rb（稳定），同位素丰度72.1654%， 87Rb（放射），同位素丰度27.8346%
85Rb/87Rb ＝ 2.59265 。 Shields(1963) 测定 20 ～ 2600Ma 的不同地质
产状中的硅酸盐矿物的该比值无变化，证实自然界中所有 的Rb都具有相同的同位素组成，而与含Rb矿物的产状、地 球化学历史无关。
三、Rb-Sr等时线定年
※Rb-Sr等时线满足的条件： 1）一套岩石系列的不同岩石，由于岩浆结晶分异作用造
成不同岩石的Rb/Sr比值有差异；
2）结晶分异作用经历的时间较短(与岩石的年龄相比可 忽略），各岩石形成Rb-Sr封闭体系的时间大致相同。 3）由于同源岩石具有相同的87Sr/86Sr初始同位素比值； 4）自结晶以来，每个样品都符合定年的基本条件—呈封 闭体系。
•若变质作用很轻微，则不能使矿物之间发生完全 的Sr同位素均一化，矿物不能构成等时线； •若变质作用达到中高级绿片岩相以上，则Sr同位 素将可能在全岩范围内发生均一化，这是全岩等时 线就代表了变质作用的年龄；
若经历多次变质作用，矿物内部等时线往往代表
最后退变质作用的时间，而全岩等时线往往代表
主期变质作用的时间；
变质作用对Rb-Sr同位素体系的影响有两种：
①矿物开放系统
②全岩开放系统
矿 物 开 放 系 统
矿物的Rb-Sr系统发生变化，而全岩的Rb-Sr系 统保持封闭。例如：由Rb衰变产生的87Sr在富Rb 矿物中占据不稳定晶格。受到变质作用，87Sr趋 向于迁出晶格，从云母、钾长石这类富铷矿物中 释放的Sr将趋于被最近的能容纳Sr矿物(如斜长石、 磷灰石)吸收。然而全岩的Rb-Sr系统不发生变化。 在这种情况下，全岩等时线年龄和矿物等时线 年龄的意义是不同的。
例如：斜长石(Plagioclase),磷灰石(apatite),碳酸钙(calcium carbonate), 文石(aragonite)
Sr2+可以替代K+ ，但伴随着Al3+替代Si4+ ； 菱锶矿 Strontianite (SrCO3),天青石 celestite (SrSO4) ⑶自然界，锶有四个同位素（84,86,87,88），丰度 （0.56%,9.87%，7.04%，82.53%）
异程度的增大而逐渐增大
二、 Rb－Sr同位素测年原理
Rb 有2个同位素：
85 37
Rb
87 37
Rb
72.17% Sr 有4个同位素：
88 38
27.83%
Sr
84 38
Sr
86 38
Sr
87 38
Sr
82.53%
0.56%
9.87%
7.04%
87 37
Rb Sr Q
87 38
D D0 N (e 1)
N t D D e 1 Ds Ds 0 Ds
t
87
Sr=87Sr0 +87 Rb(eλt -1)


87 Sr 87 Sr 87 Rb t 86 = 86 + 86 (e 1) Sr Sr 0 Sr
图5-4 Rb-Sr等时线图
图5-5 取自加拿大Sudbury的一套花斑岩 过渡岩和苏长岩的全岩等时线 等时线的斜率表示了1740±19Ma的年龄
矿物等时线
地质体同位素组成较均一、全岩Rb/Sr质 量比值差异小，难以形成等时线，此时 采用 “全岩-矿物等时线”
代表岩石中矿物结晶年龄，比全岩年龄 低。
23 7 6 5 4
n eo l uc
s
23
§3.铷-锶(Rb-Sr)测年及同位素地球化学
上节课主要内容：
D D0 N (e 1)
该方程是同位素定年 基本原理的表达式
t
上节课主要内容：
由于质谱分析只能测定同一元素的同位素比值，不能直接测
定单个同位素的原子数，因此在同位素年代学方法中，必须选
取子体元素的其它同位素作参照，来进行同位素比值的测定。 记参照的同位素为Ds，并使等式两边同除以DS，则：
D D 1 Ds Ds 0 1 t ln N Ds
四、Rb-Sr同位素的示踪 Rb is more incompatible than Sr During partial melting of mantle and form magma intruding in to crust, Rb-Sr will be fractionated. Rb are easier to go into melt relative Sr, therefore, mantle will be depleted in Rb, while the crust will be enriched in Rb.
始比值；
岩浆结晶的时间相对较短，所有的矿物或岩石具有
基本相同的年龄；
形成以后保持封闭，未受蚀变、变质等外来影响；
87 Sr 截 距： b 86 Sr 0
87
Sr 86 Sr
斜 率：
m e 1
1
t
年 龄：t
87

lnΒιβλιοθήκη Baidu m 1
Rb /86 Sr
岩浆岩结晶后Rb-Sr同位素体系变化示意图
在Rb-Sr测年过程中，采用85Rb/87Rb＝2.59265， Rb相对原子质 量为85.46776。
2、Sr地球化学性质
⑴碱土金属（Alkaline earths metal），大离子亲石元素； ⑵Sr2+的离子半径(1.13Å)；
Ca+的离子半径((0.99Å)，在含Ca的矿物中， Sr2+能替代Ca+；
来自同一个岩体的不同岩石标本，分出同一种矿物， 例如黑云母，这些矿物中的Rb/Sr不同，分别测Rb、Sr 含量及Sr同位素组成，可构成等时线图。 从一块岩石标本中选出不同的含铷矿物，如云母、长 石等，分析不同矿物中的Rb、Sr含量及Sr同位素组成 ，可构成等时线图。（因为不同矿物包括全岩常常有较大的
3、变质岩的Rb-Sr定年
不同矿物的封闭温度也有所不同。
Rb-Sr封闭温度是指Rb和Sr完全活动到完全不活动的瞬 间过渡时的温度；
体系 矿物 封闭温度/℃
Rb-Sr
Rb-Sr
正长石
黑云母
314
300±50
Rb-Sr
Rb-Sr Rb-Sr Rb-Sr
白云母
全岩 角闪石 石榴石
500,600-650
650,680-750 550 650
Rb＞Sr
Rb＞Sr
1、Rb-Sr同位素的示踪原理
(1) 岩石或者岩浆的同位素特征，只受同位素衰变规
律控制，不受分异结晶作用影响，同位素比值在
分离结晶过程中不发生变化，因此由源区部分熔 融形成的岩浆的同位素比值代表其源区特征。 (2) 现有的岩石或者岩浆可以识别源区，如果是混合 的源区，则具有混合的同位素特征。
87
Sr 86 Sr
87 Sr 86 Sr m
t
87 Sr 86 Sr i
Present
ti
tm
87
Sr 86 Sr
87 Sr 86 Sr m 87 Sr 86 Sr i
•矿物等时线指示变质作用年龄，截距代表了变质 均一化时的87Sr/86Sr比值；全岩等时线代表了岩浆 结晶年龄及初始比值。这种情况发生在低绿片岩相 变质作用阶段。