Lu-Hf同位素体系分析

Lu-Hf 同位素体系简介

一、Lu-Hf 同位素

镥是一种稀土元素，镥在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛，但含量很低。自然界中镥的重要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及某些稀土矿物（如独居石、黑稀金矿、铌钇矿、褐帘石和硅铍钇矿等）。

镥有两个天然同位素：175Lu 和176Lu 。它们的相对丰度分别为97.39%和2.61%。

176Lu 为放射性同位素，通过β—衰变形成更稳定的176Hf 。

铪是一种分散元素，其化学性质和离子半径与锆石非常相似，因而常以类质

同像替换锆的方式进入许多矿物的晶体结构，其中以锆石中铪的含量最高。

铪有6个同位素：174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,180Hf ，它们的相对丰度分别为：0.20%，5.2%，18.6%，27.1%，13.7%，35.2%。其中174Hf 是放射性同位素，它通过α衰变形成稳定的170Yb 。

二、Lu-Hf 法定年

基本原理：

173176Lu Hf E βγ-→+++

含镥岩石或矿物的年龄可根据下式计算：

173177176177176177/(/)/(1)t i Hf Hf Hf Hf Lu Hf e λ=+-

176Lu 的衰变常数λ=1.94±0.07×10-11a-1。对于满足等时线年龄测定的一组样品，可采用与Sm-Nd 和Rb-Sr 法相似的等时线方法来测定样品的Lu-Hf 等时线年龄。

适合于Lu-Hf 同位素年龄测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石。锆石的镥含量虽高达24×10-6，但因其铪含量太高；硅铍钇矿虽具有很高的镥含量，但因其极少见，因而这两个矿物通常不适合用于Lu-Hf 年龄的测定对象。

三、Lu-Hf 法定年实例

1.含石榴石变质岩的Lu-Hf 同位素定年

石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一中非常常见的矿物。石榴石具有较高的Hf 封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的Hf 含量使Lu-Hf 法比Sm-Nd 和Pb-Pb 法有更优越的特点。

1.1石榴子石Lu-Hf 封闭温度

对封闭温度的解读是诠释放射性同位素年龄代表矿物生长/结晶年龄或冷却年龄的重要前提。放射性同位素母子体在特定矿物中的封闭温度与其活化能、元素扩散系数、岩石冷却速率以及矿物颗粒大小和开头等因素密切相关。目前一般

认为石榴子石Lu-Hf体系封闭温度高于700℃，高于或者等于同等条件下石榴子石Sm-Nd体系的封闭温度。

1.2包裹体的影响

变质岩中石榴子石中常见大量的固相包裹体，例如单斜辉石、角闪石、绿泥石、云母、锆石、磷灰石、金红石和榍石等。这些常见包裹体矿物中，富集Lu元素的磷灰石和含大量Hf的锆石和金红石包裹体对石榴子石Lu-Hf定年的影响不容忽视（图1），其他常见矿物包裹体对石榴子石Lu-Hf体系的影响则非常有限。

图1 锆石对于石榴子石Lu-Hf等时线影响示意图

1.3以大别榴辉岩为例的Lu-Hf年代学

图2 大别榴辉岩样品SH02的石榴子石—全岩176Lu/177Hf-176Hf/177Hf等时线图

石榴子石—全岩的等时线图见图2。全岩与石榴子石的176Lu/177Hf比值范围为0.01~0.05，得到的等时线年龄为254±16Ma，初始176Hf/177Hf比值为0.282121±0.000010，MSWD=0.35，对应的εHf（254Ma）=-16.6。

石榴子石Lu-Hf 定年方法由于石榴子石生长的复杂性，需要考虑多种因素对Lu-Hf 年龄结果的影响，才能赋予年龄正确的地质意义。

2.含磷灰石岩石的Lu-Hf 同位素定年

磷灰石是另一个Lu/Hf 比值较高的矿物，由于该矿物不仅产于通常的岩浆岩和变质岩中，在沉积岩中也经常出现，因而也是进行沉积作用定年代的重要对象。

岩浆岩，特别是镁铁质岩浆岩由于经常缺乏锆石等适合测年的矿物，成为年代学研究中的一个难点。Barfod et al. (2003)对Gardiner 、Skaergaard 和Khibina 三个侵入体岩石中的磷灰石、异性石、榍石和全岩进行了Lu-Hf 同位素测定，所获得的等时线年龄分别为53.53±0.53、60.18±0.45和402.4±2.8Ma （采用的176Lu 衰变常数为1.869×10-11）。之后，Larsson and Soderlund (2005)对瑞典南部含Fe-Ti 矿化的镁铁质堆晶岩进行了测定，其磷灰石、斜长石和全岩构成一条1204.3±1.8Ma 的Lu-Hf 等时线，这一年龄也与用其它方法获得的年龄一致。

3. 岩石圈地幔的Lu-Hf 同位素定年

岩石圈地幔的定年一直是固体地球科学研究的难点，一方面是缺少常见的定年矿物，其二是地幔的温度高，通常的同位素体系在地幔中不能封闭。此外，岩石圈地幔在形成后大多经历过后期交代作用。因此，传统的Sr-Nd-Pb 等同位素大多采用Re-Os 法来对此年龄加以限定，但Re 的活动性质使获得年龄的解释复杂化。因此，近几年来，各国学者都在努力探索Lu-Hf 法对岩石圈地幔定年的可行性。从理论上来说，Lu-Hf 同位素体系具有较高的封闭温度，并有可能在岩石圈地幔形成后一直保持封闭，从而可以给出可信的年龄。

四、Hf 同位素在地质学中的应用

1.Hf 同位素示踪的基本原理

Lu 与Hf 均为难溶的中等—强不相容性亲石元素，这一点与Sm-Nd 体系有很大的类似性。因此，Hf 同位素示踪的基本原理与Nd 同位素相同。

1.1Hf 同位素研究中的有关公式

()()()()176177176177,0176177176177176177176177,017617717617717611(0)((/)/(/)1)10000

()((/)(/)(1))///11)100001/ln 1((/)(/)/((/Hf S CHUR t t Hf S S CHUR CHUR Hf S DM Hf Hf Hf Hf t Hf Hf Lu Hf e Hf Hf Lu Hf e T Hf Hf Hf Hf Lu λλεελ=-⨯=-⨯--⨯--⨯=⨯+-77176177211176177176177/)(/))()(()/())

(/)/(/)1

S DM Hf Hf Hf cc s cc DM Lu Hf S CHUR Hf Lu Hf T T T t f f f f f Lu Hf Lu Hf ⎡⎤-⎣⎦

=----=-

其中， (176Lu/177Hf)S 和 (176Hf/177Hf)S 为样品待测值， (176Lu/177Hf)CHUR =0.0332， (176Hf/177Hf)CHUR,0=0.282772； (176Lu/177Hf)DM =0.0384， (176Hf/177Hf)DM =0.28325。f cc ，f s ，f DM 分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的f Lu/Hf 。T 为样品形成时间，λ=1.867×10-11year -1。

1.2Nd-Hf 同位素的相关性和解耦