Sm-Nd同位素测年
第5章3-Sm-Nd
mineral isochron ages the metamorphic age at an early stage
Sm-Nd geochronology of the Guichicovi metamorphic basement near the western edge of the Maya terrane in southern Mexico
CHUR Model can be used to date rock of the continental crust by determining the time at which the Nd they contain seperated from the “chondritic reservoir”.
实
例
Whole-rock Sm-Nd geochronology on Late-Archaean Lewisian complex of Northwestern Scotland
whole-rock isochron ages the age of the magmatic protolith
Sm-Nd定年学原理
Nd 143 Nd 147 Sm t 144 (e 1) 144 144 Nd Nd 0 Nd
143
其中：
Sm Sm at.wt.Nd Ab147 Sm 144 144 Nd Nd c at.wt.Sm Ab Nd
(tholeiite, basalt, grabbro, ultramafic rocks)的 Sm/Nd比值;
Sm,Nd地球化学行为
3. Nd is preferentially concentrated in the liquid phase during partial melting of silicate minerals, whereas Sm remains in the residual solids (解释大 陆地壳低的Sm/Nd比值)； 4. 磷酸盐矿物(phosphate minerals)(例如：apatite 和 monazite)、碳酸盐岩(carbonatites)的Sm, Nd含量 较高，但Sm/Nd比值小于0.32； 5. 石榴石(garnet)具有较高的Sm/Nd比值0.54，但其 含量不高：Sm(1.17ppm)， Nd(2.17ppm)； 6. 钾长石(K-feldspar)，黑云母(biotite)， 角闪石 (amphibole)，单斜辉石(clinophyroxene)具有较低 Sm/Nd比值0.32，但其含量较高；
广西大厂石榴石REE含量及Sm—Nd同位素定年
燕 山晚期 是 中国 东部 一 次大规模 成
矿过 程 ， 岩成矿 作用与岩 石 圈伸展 作 用有 关。 成
关 键 词： 石榴 石 ； 土元 素 ；ｍ－ｄ年龄 ； 铜矿体 ； 西大厂 稀 Ｓ Ｎ 锌 广 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ０２４Ｘ（０ １ ０ － ７ －６ １０ －７ ２ １ ） ４０ ６０ ６ 中 图分 类号 ：６ ８ ４ ；５ ８９ Ｐ １ ．３ Ｐ ７ ．４
ＲＥＥｈ ｍ ｓｒ ｎ ｍ Ｎｄ ｉｏ ｏ ｅ ａ ｅ ｏ ａ ｎ ｔ ｆ ｏ ｔ ｅ Ｄａ ｈ ｎ Ｇｕ ｎ ｘ ｒ ｍ ｈ ｃ ａ ｇ， ａ ｇ ｉ
Ｌ ＡＧＮ ｎ ，Ｗ ＡＮＧ ｎ — ｏ ｇ ，Ｌ ａ ｑ ｎ Ｉ Ｔｉ ｇ Ｄｅ ｇ ｈ ｎ Ｉ Ｈｕ — ｉ ，ＨＵＡＮＧ ｉｍｉ ｇ Ｈｕ — ｎ ４ Ｗ ＡＮＧ ｎ － ｎ ，ＹＵ Ｐ ｎ ， Ｄｏ ｇ ｍｉ ｇ ｉ ｇ ＣＡＩ Ｍｉ ｇ ｈ ｉ ｎ － ａ
５ Ｃ ｌｇ ｆ ｅｏｒ ｓａｄＥ ｖ ｏｍ ｎ，Ｇ ａｇｉ ｎｖｒｔ， ａｎｎ ３０ ４ Ｃ ｉ ） ． ｏ ｅｅｏ ｓｕｃ ｎ ｎｉ ｎ ｅｔ ｕｎｘ Ｕ ｉ ｓｙ Ｎ ｎｉｇ ００ ， ｈｎ ｌ Ｒ ｅ ｒ ｅｉ ５ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ：Ａｉ Ｔ ｅ ｅｍｉｅ ｔ ｅ ｓ ｕ ｃ ｆｏ ｅ ｆｒ ｎ ｔｒａ ｎ ｈ ｔ ｌ ｇ ｎｃ ｅ ｏ ｈ． ｅｈｏ Ｔｈ ｓｒ ｃ ｍ ｏ ｄ ｔｒ ｎ ｈ ｏ ｒ ｅ ｏ ｒ －ｏｍｉｇ ｍａ ｅ ｌａ ｄ ｔ ｅ ｍｅａ ｏ ｅ ｉ ｐ ｃ Ｍ ｔ ｄｓ ｉ ｌ ｅ ＲＥＥ ｃ ｎ ｅ ｔｏ ｎ ｒ ｄ ｔ— ｒ ｓ ｕａ ｒ ｍ ｒ － ｅ ｒｎ ｌ ｒ ｃ ｎ Ｚｎ Ｃｕ ｏ ｅ ｂ ｄ ｓ ａ ａｙ ｅ ｏ ｔ ｎ ｆａ ｄ ａ ｉ ｇ ｏ ｓ ｌｒｆｏ ｏ ｅ ｂ ａｉ ｇｗａｌ ｏ ｋ ｉ — ｒ ｏ ｙ ｉ ｎ ｚ ｄ，ａ ｄ ａ ｅ ｏ ｎ ｒ ｄ ｔ— ｒ ｓ ｅ ｌ ｎ ｇ ｆａ ｄ ａ ｉｅ ｇｏ —
Sm—Nd同位素法地质年龄的测定
Sm—Nd同位素法地质年龄的测定作者：梁培基王广武兴龙焦天佳来源：《科学与财富》2014年第11期摘要：同位素地质学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发展起来的一门新兴学科。
它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成和地质事件发生的时代，以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。
主要对Sm-Nd法同位素测年的研究现状、研究方法、适用对象、年龄测定、特点等方面予以简要总结和介绍。
关键词：Sm-Nd同位素测年；方法；特点1 Sm-Nd法同位素定年方法简介Sm在自然界有7个同位素，144Sm（3.16%），147Sm（15.07%），148Sm（11.27%），149Sm（13.84%），150Sm（7.47%），152Sm（26.63%），154Sm（22.53）。
Nd在自然界也有7个同位素，142Nd（27.09%），143Nd（12.14%），144Nd（23.83%），145Nd（8.29%），146Nd（17.26%），148Nd（5.74%），150Nd（5.63%）。
147Sm和148Sm具有放射性，通过α衰变转变成143Nd和144Nd。
144Nd也具有放射性，通过α衰变转变成140Ce，但是由于其极端长的半衰期（2.1×1015a），放射性所引起的变化可以忽略，实际上可作为稳定同位素看待。
由于148Sm衰变半衰期十分长（7×1015a），目前在地质应用上尚无价值。
因此仅147Sm （t12=1.06×1011a）能用于年龄测定。
通常所指的Sm-Nd测年法实际上是147Sm-143Nd法，利用的是147Sm→143Nd+α的核衰变过程。
Sm-Nd年龄计算方程：（143Nd/144Nd）=（143Nd/144Nd）i+（147Sm/144Nd）（eλ-1）方程中t为样品形成时间或被彻底改造Nd同位素均一化时间，λ为147Sm衰变常数（6.54×10-12a-1）；（143Nd/144Nd）和（147Sm/144Nd）比值是样品现代值，由实验直接测定；（143Nd/144Nd）i是样品形成时或被彻底改造时值。
不同同位素年代学测试方法的技术要求
第三节不同同位素年代学测试方法的技术要求一、采样的要求样品选择的好坏，直接影响到年龄测定的准确性和可靠性。
因此，野外采样是获得可靠同位素地质年龄的基础，是关系到整个研究工作成败的首要环节。
如果选择的样品不当，不具清晰的地质目的或根本不符合年龄测定要求，虽然有先进的测试仪器设备和采用先进的测年技术，也不可能得到真正反映某一地质事件的信息。
为此，在采样之前，对研究区的地层、构造、岩浆活动、变质作用及伴随的成矿作用等方面应尽可能有个全面的了解，把矿床成矿时代研究与区域或成矿区的地质事件紧密联系起来，只有在仔细观察矿区内岩体、脉体和矿体之间的穿插、切割关系、围岩蚀变和构造特征之后，才能制定出正确的采样方案。
（一）、岩体或矿床定年样品采集的基本原则1、不同类型岩石和矿物是不同地质作用的产物，有着不同的地质历史，因而必须根据拟解决的地质问题，有目的性采样。
采样地段必须避开后期侵入体、混合岩化、断层或其他动力变质作用、热液蚀变以及近代风化、淋湿等作用干扰；2、具有多期次和多阶段的矿床或岩体，必须按不同期次和不同成矿阶段分别采样；3、同一成矿期或同一成矿阶段的测年样品，最好采自不同中段的空间部位；4、样品必须新鲜，风化或受后期地质事件影响强烈的样品，不宜采用；5、研究一个复杂地质体的同位素年龄时，应注意使用多种不同测年方法，要采集适合多种测年方法的岩石或矿物样品。
（二）、不同类型矿床等时线定年的具体要求1、金矿床年龄测定的样品采集不同成因类型金矿的测年对象是不同的，当用Rb-Sr、Sm-Nd、40Ar/39Ar和普通铅法（主要指金属硫化物）测年时，可采集不同成矿阶段或同一成矿阶段不同空间分布的脉石矿物（如石英、方解石、绢云母等）或矿石矿物（如金属硫化物、钨酸盐矿物等）样品。
一般来说，石英脉型金矿，采集含金石英脉；蚀变岩型（韧性剪切带型）金矿及卡林型金矿可采集与成矿作用密切相关的富含绢云母的蚀变岩石（如黄铁绢云岩、千糜岩等）和富含毒砂、黄铁矿及绢云母的矿石；块状硫化物型金矿（伴生金矿），采集含金的硫化物矿石及与金矿化同时形成的脉石矿物；绿岩型金矿，可采集含金石英脉及伴生的白钨矿和与石英脉同时形成的低温锆石(水锆石)等，但要特别注意区分石英脉形成时有可能捕获围岩老锆石的影响。
Sm-Nd同位素测年
CHUR
（Wasserburg et al., 1981）
• 单阶段钕模式年龄的计算
地壳物质不断从上地幔中抽出，使上地幔的Nd相对于 Sm亏损, Sm/Nd比值高于CHUR。从亏损上地幔中产 生的地壳岩石，其模式年龄应该用亏损上地幔的演化线 来计算，才更接近实际。这种模式年龄定义为TDM: 亏损上地幔 (143Nd／144Nd)DM = 0.513151
• 硅酸盐造岩矿物中，铀和钍的浓度很低， 一般为几个ppm或更少。但这两种元素在 某些副矿物中呈主要组分或者替代别的元 素。这些副矿物包括沥青铀矿、方钍石 (氧化物)；锆石、钍石、褐帘石(硅酸盐)； 独居石、磷灰石、磷钇石(磷酸盐)和榍石 (钛硅酸盐)。
铀主要有235U和238U两种同位素，其丰度比为: 238U/235U=137.88。 钍有一种同位素232Th。这三种同位素通过放射性衰 变都形成稳定的铅同位素: 238U 206Pb十8α十6β 235U 207Pb十7α十4β 232Th 208Pb十6α十4β 衰变常数为：238λ=1.55125×10-10a-1, 235 λ=9.8485×10-10a-1, 232λ=4.975×10-11a-1
•
系的定年。矿物之间的Sm/Nd比值范围 较全岩的大，能获得精度更高的年龄。 • REE的不活动性，对利用矿物等时线测定 火成岩结晶年龄非常有利， 但对变质作用 的定年则是一个不利的因素. 因为变质作 用中矿物有时难以达到同位素的再平衡.
147Sm的半衰期很长，最适用于对前寒武
Sm-Nd同位素测年
三、锶、钕同位素示踪原理 • 钐-钕法和铷-锶法一样可获得同位素初始比 值，目前普遍采用(143Nd/144Nd)i和 (87Sr/86Sr)i联合示踪岩浆作用过程。其基 本原理：
玄武岩分相Ｓｍ－Ｎｄ内部等时线定年方法流程
２０１４年 ９月 Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１４岩 矿 测 试 ＲＯＣＫＡＮＤＭＩＮＥＲＡＬＡＮＡＬＹＳＩＳ文章编号：０２５４ ５３５７（２０１４）０５ ０６４０ ０９Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．５ ６４０～６４８玄武岩分相 Ｓｍ－Ｎｄ内部等时线定年方法流程张利国，段桂玲，杨红梅，杨 梅，谭娟娟，段瑞春，邱啸飞，刘重秡（中国地质调查局武汉地质调查中心同位素地球化学研究室，湖北 武汉 ４３０２０５）摘要：长期以来，对玄武岩精确测年一直是困扰地质学家的重大科学问题。
玄武岩结构和组成特殊，岩石中矿物组成单一、锆石十分稀少，颗粒很细，采用物理方法挑选单矿物和锆石十分困难，很难应用内部等时线法和锆石 Ｕ－Ｐｂ法研究其成岩时代。
而全岩样品间因 岩浆 分 异 产 生 的 １４７Ｓｍ／１４４Ｎｄ比 值 差 别 很 小，等 时 线 年 龄 相 对 误 差 较大；Ｒｂ含量很低，Ｒｂ／Ｓｒ比值很小，全岩 Ｓｍ－Ｎｄ法、Ｒｂ－Ｓｒ法常常不能给出正确可信的年龄。
根据内部等时线法原理，本文通过化学方法，采用王水和氢氟酸 －硝酸对玄武岩样品进行分步溶解，分别对同一件样品的王水溶解相、王水不溶相和全岩开展 Ｓｍ－Ｎｄ同位素组成分析。
结果表明：通过不同酸介质分步溶解，可提取玄武岩中石英、透辉石、长石等矿物组合，该组合与 其全岩具有相同的 εＮｄ（ｔ）和一致的 Ｎｄ同位素模式年龄；矿物与全岩构筑的内部等时线中，１４７Ｓｍ／１４４Ｎｄ比值 的变化由全 岩 之 间 的 ０．００５扩 大 到 ０．１１，１４３Ｎｄ／１４４Ｎｄ值 的 变 化 由 全 岩 的 ０．５１２５００～０．５１２５４７扩 大 到０．５１２５００～０．５１３１４５。
通过该方法获得了与已有锆石 Ｕ－Ｐｂ年龄在误差范围内一致的 Ｓｍ－Ｎｄ等时线年龄：ｔ＝（９９１±２１）Ｍａ（ＭＳＷＤ＝２．１）。
通过对比研究，本文认为：玄武岩分相 Ｓｍ－Ｎｄ内部等时线定年方法，适用于前寒武纪及更古老的玄武岩样品的年龄测定。
同位素地质年代学中主要定年方法概述
同位素地质年代学的定年方法概述一些元素(K,Rb,Re,Sm,Lu,U和Th)的自然长寿命放射性同位素,衰变为另种元素稳定同位素的作用,广泛应用于岩石和矿物的年龄测定。
这种测年提供了关于地球地质历史的信息,并已用于标定地质年代表。
地质过程时间维的确定是一项重要而复杂的研究任务。
准确标定某一地质体的年代是区域地质学、地球化学、矿床学和大地构造学研究中不可缺少的内容,对于区域地史演化规律的研究和找矿方向的确定,都具有十分重要的理论和实际意义。
可以说，现代岩石学在很大程度上已经离不开同位素地质学的研究。
在上一世纪60-80年代Sr、Nd、Pb 等同位素地质理论蓬勃发展并逐渐成熟的形势下，Re-Os、Lu-Hf等新的同位素体系也在快速发展。
近年来,由于各种新型同位素分析仪器的开发利用和分析测试技术方法上的迅猛发展,例如新一代高精度、高灵敏度、多接收表面热电离质谱仪(TIMS TRITON)、多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和高灵敏度高分辨率离子探针质谱（SHRIMP）技术的开发和利用,大大拓宽了各种同位素新技术方法在地球科学各个领域中的应用,并取得了一系列令人瞩目的新发现和新认识。
目前,地质体的定年主要采用的是K-Ar法、40Ar-39Ar法、U-Pb法、Pb-Pb法、Rb-Sr法、Sm-Nd法等,已经获得了非常丰富的资料。
然而,由于地质作用过程的复杂性、多期性和测年方法及测试对象的局限性,对已经获得的年龄数据,不同的学者往往有不同的地质解释。
因此,开展同位素定年方法学中的适用性和局限性有关问题的研究,不仅有助于重新认识、评价和应用已有的资料,而且有利于今后工作中同位素定年方法的改进。
一、K-Ar法和40Ar-39Ar法常规的K-Ar法定年主要建立在两个基本的假设条件之上。
①矿物或岩石形成以后,对钾和氩保持封闭体系,既没有钾和氩的加入,也没有钾和氩的逃逸。
②矿物或岩石中不含有大气氩;如果含有氩,则只能由大气混染造成,可以进行常规法定年的大气混染校正(穆治国,1990)。
第5章第3节钐-钕(Sm-Nd)测年及示踪地球化学
BCR-1:143Nd/144Nd=0.512650±0.000040;
J&M 321: 143Nd/144Nd=0.511137±0.000008 (N=12);
文献中的统计： LaJolla Nd: 143Nd/144Nd=0.511848±0.00005; BCR-1: 143Nd/144Nd=0.512642±0.000006; 第五章第3节Sm-
Sm,Nd同位素组成
第五章第3节SmNd 同位素
一、REE的行为
1. REE 的离子半径（Radii) 随着原子数的增加而减小；
La: Z=57, R=1.15 Å
Lu: Z=71, R=0.93Å
2. REEs 在不同矿物中的行为是不同的；
例如：长石(feldspar)，黑云母(biotite)和磷灰石(apatite) 富 集轻稀土；而辉石(pyroxenes)，角闪石(amphiboles)和石榴 石（garnet)富集重稀土；
Nd 同位素
二、Sm-Nd定年学原理
现今球粒陨石质均一储库(Chrondritic uniform reservoir) (CHUR):指用球粒陨石的Sm/Nd和143Nd/144Nd比值代表未经化学 分异的原始地幔的初始比值;
1) 目前国际上采用的CHUR参考值为：143Nd/144Nd=0.512638; 147Sm/144Nd=0.1967
6. 钾长石(K-feldspar)，黑云母(biotite)， 角闪石(amphibole)， 单斜辉石(clinophyroxene)具有较低Sm/Nd比值0.32，其含量 较高；
简析同位素测年法
简析同位素测年法作者：徐学员周富华易慧能来源：《西部资源》2016年第06期摘要：同位素年代学研究是现代矿床学研究的热点，本文仅简单地介绍了U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等几种同位素测年方法，并分析了其优缺点。
认为要尽可能地采取不同的测定方法，以地质为基础，才能获得有地质意义的年龄数据，做出有科学意义的地质解释。
关键词：同位素测年；U—Pb法；Rb—Sr法；Sm—Nd法；K—Ar法；Re—Os法1. 前言1896年，贝可勒尔（A.H.Becquerel）发现铀的盐类能使封闭的照相底片感光。
随后证明了铀可以粒子和电磁辐射的形式发出能量，即能自然衰变。
居里夫人把这种辐射现象称为放射性。
建立在放射性同位素衰变规律基础上的，用以测定不同地质体和地质事件年龄的计时方法即为同位素测年法。
目前主要应有的同位素测年方法有U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等几种方法（温春齐等，2009）。
2. 同位素测年法2.1 基本原理假设岩石或矿物形成时，含有少许的放射性母体同位素。
伴随时间流逝，该母体同位素自然衰变，含量逐渐减少，由此形成的子体同位素则逐渐增多。
通过测量仪器准确测定岩石或矿物中放射性母体以及衰变形成的稳定子体同位素的含量，通过公式（1）即可计算出所测岩石或矿物的同位素年龄。
它一般代表了经过某一地质作用形成的岩石或矿物中所测同位素保持封闭体系以来的时间。
t=1/λ×ln（1+D*/N）（1）其中D*=N0—N=N0（1—e—λt）=N（eλt—1）λ为衰变常数、N0为t=0时放射性母体原子数、N为t时放射性原子数2.2 基本条件应用同位素测年法需满足一定的条件，主要有：（1）岩石或矿物自形成后应保持封闭体系，无母、子体同位素的加入或丢失。
（2）选定用来测年的放射性母体同位素应有适宜的半衰期，其与所测地质体或地质事件的年龄差距不大，且半衰期和衰变常数目前已知或能精确测定。
石榴石中Sm-Nd测年法的潜在问题
表6(c)
16
4.讨论
因为非常相似的稀土元素的化学性质，在大多数地质体中Nd和Sm显 示很小的元素分馏。最近的文献中的一些例子表明 ,磷灰石，锆石,辉 石 , 角闪石和十字石可能有足够高的 Sm/Nd 比值。而且，石榴石的 Sm/Nd比值也是很高。含有较多石榴石的岩石，这种矿物的高Sm/Nd 比值甚至主导整个岩石系统参数,导致Sm/Nd比值异常高。
HREE比LREE石榴石晶格的强烈偏好 ,HREE 使这种矿物质非常适合 Sm-Nd测年。事实上,大多数石榴石的地质年代数据的发表基于Sm-Nd 同位素系统。
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
然而,石榴石中Sm - Nd年龄数据的解释,并不简单,可能有些重要的问题。 其中,(a)high-LREE夹杂物的影响,(b)同位素不均衡,石榴石和矩阵矿物 质之间,以及石榴石的主矿物和夹杂物(c)封闭温度(Tc)的不确定性是最 重要的。 本文的目的是通过以下几点讲一些问题： (i)一个简要的关于阿尔卑斯山脉东部的石榴石Sm-Nd年代信息的回顾， 为了提取最终的SM- Nd同位素测年问题的结论 (ii)一些额外的新成果的讨论,包括浸出试验,观察Sm / Nd比值,主要成 分组成和石榴石的带状构造，不同的岩性组合，主要评价标准数据; (iii)评估阿尔卑斯山东部的岩浆过程中石榴石Sm - Nd测年的效果和独 特的构造。
大部分阿尔卑斯山东部的石榴石SM–Nd数据属于以下三个岩性： 变质基性岩（变质辉长岩，变质玄武岩） 变质泥岩（云母片岩，副片麻岩）
变质伟晶岩或变质花岗岩
13
3.1 变质基性岩中的石榴石
图6a显示了主要来自“奥兹塔尔中央区域变基性岩” 和Saualpe Koralpe 变质榴辉岩序列中的石榴石数 据 。 这 些 岩 石 的 典 型 矿 物 成 分 是 grt+cpx+zo±ky±amp±phe + accessories。石榴石 主要化学元素一般是变化的 ( 取决于大部分岩石成 分 ), 有时显示相同的样本单个颗粒之间的差异(), 这 可能表明当地的岩性变化，与“区域结晶”有关。 Sm/Nd比值显示明显变化,奥兹塔尔石榴石在 0.127和1.37之间波动 和Koralpe -Saualpe变质基 性岩序列的石榴石在0.23和1.94之间。Nd的浓度总 的变化很大，变化范围超过了3 个数量级。然而, 只 有5个样品显示很高的Nd浓度(> 5 ppm)。大多数的 石榴石显示Nd浓度小于2ppm。Koralpe -Saualpe 序列的例子是极端的:分析的石榴石的14/17钕浓度 低于100ppb。Fig.6还显示，尽管具有相似的地球 化学特点 , 这两个地区的石榴石中的 REE 含量有很 大不同，与Koralpe相比，Otztal的石榴石含有相当 高的Nd浓度。
萤石Sr_Nd同位素地球化学研究评述
文章编号:1008-0244(2001)04-27-08萤石Sr 、Nd 同位素地球化学研究评述许 成,黄智龙,漆 亮,李文博(中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放实验室,贵州 贵阳550002)摘 要:本文通过大量实例综述了近年萤石Sr 、Nd 同位素在定年和示踪方面取得的进展,结果表明:萤石Sm -Nd 同位素可以用于测定成矿作用的时代,但由于萤石Nd 同位素初始值存在不均一性和受次生干扰的影响,所获数据最好用其它测年方法获得的数据加以验证;萤石Sr 、Nd 同位素组成是示踪成矿流体来源的有效方法,利用Sr 、Nd 同位素组成还可定量估算出形成成矿流体不同端元所占的比例。
关键词:萤石;Sr -Nd 同位素;评述中图分类号:P597 文献标识码:A收稿日期:2000-10-25;修回日期:2001-11-29基金项目:国家攀登计划预选项目(95-预-39)第一作者简介:许成(1977-),男,博士研究生,现就读于中国科学院地球化学研究所矿床地球化学专业萤石(Ca F 2)是自然界最常见的氟化物矿物之一,是一种广泛用于化工、冶金、玻璃陶瓷及精密光学仪器等高新技术领域的重要矿物原料。
自然界的萤石既可以呈独立矿床产出,也可以在许多金属(如Pb 、Zn 、Au 、Ag 、W 、Sb 、REE 等)和非金属(如重晶石等)矿床中呈脉石矿物产出,在有些金属和非金属矿床中呈脉石矿物产出的萤石储量巨大,本身具有综合利用价值,如内蒙古白云鄂博REE-Nb-Fe 矿、贵州沿河丰水岭重晶石矿等。
众多文献资料表明[1~5],萤石可出现在从中低盐度的中低温热液型矿床到高盐度的高温岩浆型矿床中,且其形成贯穿整个矿床的形成过程,因此这种矿物中记录了许多有关成矿物质来源、成矿流体来源与演化等方面的重要信息。
可见,研究萤石的地质、地球化学及成因,不仅对找寻萤石矿床具有重要意义,而且对深入探讨与之共生矿床的成因具有重要价值。
以往有关萤石结晶形态、晶体结构、物理性质、光学性质等矿物学方面的研究已相当成熟,在萤石化学成分、稀土元素、包裹体和稳定同位素组成等地球化学方面的研究也取得了大量研究成果,而萤石Sr 、Nd 同位素地球化学方面的研究程度相对较低。
同位素地质年龄测定技术及应用
第85卷 第11期2011年11月地 质 学 报 ACT A GEOLOGICA SINICAV ol.85 N o.11No v. 2011注:本文为国家重点基础研究发展计划项目(编号2007CB411306;2009C B421001)、中国地质调查局项目(编号1212010660212;1212011120293)和公益性行业专项经费(编号200911043-13)资助成果。
收稿日期:2011-03-11;改回日期:2011-07-20;责任编辑:周健。
作者简介:陈文,男,1962年生。
博士,研究员,博士生导师。
研究方向为同位素地质年代学。
Email:ch enw enf@vip.s 。
DOI:CNKI:11-1951/P.20111025.0834.002 网络出版时间:2011-10-258:34网络出版地址:h ttp://w w ki.n et/kcms/detail/11.1951.P.20111025.0834.002.h tm l同位素地质年龄测定技术及应用陈文1),万渝生2),李华芹3),张宗清1),戴橦谟4),施泽恩4),孙敬博1)1)同位素热年代学实验室,大陆构造与动力学国家重点实验室,中国地质科学院地质研究所,北京,100037;2)北京离子探针中心,中国地质科学院地质研究所,北京,100037;3)武汉地质矿产研究所,武汉,430205;4)中国科学院广州地球化学研究所,广州,510640内容提要:同位素地质年代学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发展起来的一门新兴学科,是地球系统科学中一个年轻而充满活力的分支学科。
它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。
本文对几种常用的精度比较高的同位素测年方法从理论、实验技术、应用范围、使用的注意事项等方面予以简要总结和介绍,期望为地质同行们提供有益的参考。
同位素地质年代学-Sm-Nd法
T2DM
1 λ
ln
143 Nd 144 Nd
Sa m ple
0
(0.12
147 144
Sm Nd
Sample
0
)
(e
t
0.12
147 144
Sm Nd
DM 0
1)
143 Nd 144 Nd
DM
0
1
上式中t为岩石的形成（变质、结晶或沉积）年龄。
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两阶段模式年龄
那么，亏损地幔147Sm/144Nd的现今值为何是0.2137？
复习及引申
在低温及高温条件下，由于重核同位素质量差极小（~1%），因此，重 核同位素在各种地质作用过程中可视作不分馏（离），即，某元素的同 位素在各自然体系中保持一定的比例。例如：
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某元素的同位素在各自然体系中保持一定的比例。例如：
复习及引申
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Sm-Nd化学性质
147 62
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亏损地幔性质
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亏损地幔性质
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对于CHUR， 143Nd/144Nd和 147Sm/144Nd可测
CHUR≈BSE
两阶段模式年龄
公O司celaongoic及b名as称alts are produced at ocean ridges and ocean island
Materials: unaffected by old continents, but derived from the mantle 岩浆作用过程中Sr-Hf-Nd-Pb子体同位素不变 大洋岩石圈源自地幔，经过了较短的演化时间和演化寿命经历了较少的混染
Sm-Nd同位素法在地质学领域中的应用
Sm-Nd同位素法在地质学领域中的应用摘要：Sm-Nd同位素法是上世纪70年代兴起的测年、示踪方法。
随着技术的进步，近年来，一些学者把它用在沉积学的物源区分析上，并取得了一定的成果，虽然存在一些问题，但微区原位Sm-Nd同位素法正蓬勃发展。
关键词：Sm-Nd同位素；定年；示踪；微区原位1引言Sm-Nd同位素法的根据是天然放射性同位素Sm147经过一次α衰变[T1/2=1.060±0.008×1011年（1σ）]以后生成稳定同位素Nd143。
这一地质学方法直到上世纪70年代才正式建立，原因之一是Sm和Nd的地球化学性质极为相似，在岩浆分异与岩石形成的过程中Sm/Nd的化学分馏作用很小，通常143Nd/144Nd比值的变化范围只有千分之几到万分之几；又因为147Sm半衰期较长，在45亿年内陨石中143Nd/144Nd比值的增加还不到1.2%,而143Nd/144Nd比值变化万分之一将导致40Ma的误差。
因此，需要精度高达十万分之几的质谱计才能满足Nd同位素分析和地质年龄测定的要求。
另一个原因是Sm和Nd的化学分离难度较高, 因为Sm 和Nd的化学性质非常相似, 它们在岩石矿物中的含量又很低。
六十年代后期，由于登月计划的实现和板块学说的兴起，大大地促进了同位素地质学的发展。
数字化信息处理的高精度专用质谱计的问世与超微量低本底同位素化学实验室的建立，导致同位素地质学在技术上产生了一次大飞跃。
正是在这样优越的技术条件下，147Sm一143Nd这一对母子体同位素才正式进入同位素地质学的研究行列。
因此，Sm一Nd法的建立可谓是同位素计时示踪在理论上和技术上高度发展的标志之一。
2Sm-Nd的地球化学性质Sm和Nd是化学元素周期表中第三族镧系元素中的两个成员（它们又统称为稀土元素）它们的化学性质、物理性质、矿物化学性质和地球化学性质十分类似。
因而它们在自然界常常是密切共生。
简单的化学分离手段难于将它们分开。
Sm-Nd同位素法地质年龄的测定
１ Ｓ ｍ－ Ｎｄ 法 同位素定年方法简介 Ｓ ｍ 在 自 然 界 有 ７个 同 位 素 ， ’ ｍ （ ３ ． １ ６ ％） ， ｍ （ １ ５ ． ０ ７ ％） ， ｍ
（ １ １ ． ２ ７ ％ ）， 瑚Ｓ ｎ ｌ （ １ ３ ． ８ ４ ％ ）， 】 ｓ ｍ（ ７ ． ４ ７ ％ ）， ｍＳ ｍ（ ２ ６ ． ６ ３ ％ ）， ｎ ｌ（ ２ ２ ． ５ ３ ）。 Ｎｄ
因 此仅 １ ４ ７ Ｓ ｍ（ ｔ ” ： １ ． ０ ６ ｘ １ ０ ａ ） 能 用 于 年龄 测 定 。 通常所指的 Ｓ ｍ— Ｎ ｄ测 年 法 实 际一 卜是 Ｓ ｍ— ｔ ４ ３ Ｎ ｄ法 ， 利 用 的 是 Ｓ ｍ— ｍＮ ｄ ＋ ｄ 的核 衰 变 过 程 。 Ｓ ｍ — Ｎ ｄ年 龄 计 算 方 程：
（ ３ ） 细碎屑沉积岩的模式年龄 也被广泛科用。 细碎屑沉积岩为原岩 （ 可 以是火成岩 、 沉 积岩 和变质岩） 机械 破坏产物 ， 在岩石风化 、 破碎 、 搬运、 沉 积过程中， Ｓ ｍ ／ Ｎ ｄ比值 保 持 不 变 ， 形 成 的 沉 积 物 傈 撩原 岩 的 Ｓ ｍ ／ Ｎ ｄ比值 和 同位素特征 ， 模式年龄和原岩相同。 碎屑沉积岩一般为不 同原岩混合物 ， 通 过模 式年龄 可以鉴别沉积物 的源区 ， 判 断岩石形成构 造背景 ， 了解其物源
Ｓ ｍ — Ｎ ｄ等 时线法测定年 龄无 需对样 品的 Ｎ ｄ同位 素初始 值作任 何假 设， 通过等时线不仅 可以求得岩石形成的时间， 而且 可以获得源 区 Ｎ ｄ同位 素 的 初 始 值 。 它 需 要 达 到 的是 一 组 保 持 Ｓ ｍ— Ｎ ｄ封 闭体 系 的 具 有 相 同初 始
科 学 理 论
Ｓ ｍ— Ｎｄ同位素法地质年 龄 的测 定
第三讲Sm-Nd法详解
Sm同位素组成
同位素 原子量(amu)
➢ 144Sm ➢ 147Sm ➢ 148Sm ➢ 149Sm ➢ 150Sm ➢ 152Sm ➢ 154Sm
143.912009 146.914907 147.914832 148.917193 149.917285 151.919741 153.922218
丰度(%)
3.16 15.07 11.27 13.84
7.47 26.63 22.53
Nd 同位素组成
同位素 原子量(amu) 丰度(%)
➢ 142Nd ➢ 143Nd ➢ 144Nd ➢ 145Md ➢ 146Nd ➢ 148Nd ➢ 150Nd
141.907731 142.909823 143.910096 144.912582 145.913126 147.916901 149.9209001
• 当分析技术条件固定时，样品的数据精度 就已确定，如现阶段Nd同位素比值的测量 精度上限约为0.003-0.004%。因此，科学 合理地组织样品显得十分重要，其主要方 法为尽量选择同组样品间Sm/Nd比值差异 较大的样品。
Sm-Nd等时线样品、分析精度与误差
• 岩浆岩造岩矿物中，辉石和长石分别具有 相对较高和较低的147Sm/144Nd比值。其它 高147Sm/144Nd比值的矿物有石榴石、榍石、 锆石和角闪石。低147Sm/144Nd比值的矿物 有磷灰石和独居石；
现在组成
初始组成
147Sm衰变新 形成的143Nd
143Nd 144Nd
143Nd 144Nd
普通样品 143Nd/144Nd变化范围约为：0.1%， 约10个单位
143Nd/质谱分析精度约为： 0.004 %， 即约0.4个单位
同位素地球化学期末
Sm-Nd同位素测年Nd和Sm属于轻稀土元素，其中Nd的不相容性大于Sm. Nd3+离子半径为0.108nm，Sm3+为0.104nm。
由于Sm和Nd的化学性质很相似，因此在地质过程中Sm和Nd不会发生明显的分离。
地球上岩石和矿物的Sm/Nd比值仅变化于0.1到0.5之间。
由地幔或地壳岩石部分熔融形成的硅酸盐熔体中，Nd相对于Sm发生富集，地壳起源熔体的Sm/Nd比值一般低于上地幔起源熔体的Sm/Nd比值。
在岩浆分离结晶过程中，残余岩浆中Nd相对于Sm也发生富集, 随岩浆分异程度增大，残余熔体中Sm和Nd含量升高，Sm/Nd比值有所下降。
一、钐-钕地球化学Sm和Nd是稀土元素，存在于许多造岩矿物中，如硅酸盐、磷酸盐和碳酸盐矿物中。
钐有七种天然同位素，它们的质量数和同位素丰度分别为：143Sm 3.16％，147Sm 15.07％, 148Sm 11.27％，149Sm 13.84%，150Sm 74.7％，152Sm 26.63％, 154Sm22.53％。
钕也有七种天然同位来，其质量数和同位素丰度分别为:142Nd 27.13％, 143Nd2.20% , 143Nd 23.87%, 145Nd 8.30％, 146Nd 17.18％, 148Nd5.72％, 150Nd 5.6%。
147Sm 通过 a 放射，衰变为143Nd，衰变常数为：6.54×10-12a-1，半衰期为: 1.06×1011a。
Sm-Nd等时线测年的基本公式为:（143Nd/144Nd)样品=(143Nd/144Nd)i +(147Sm/144Nd)样品(eλt-1)。
其中(147Sm/144Nd)样品(eλt-1)为直线的bX项，斜率b=eλt-1 ，t=1/λ·ln(b+1)。
Sm－Nd法适合于基性、超基性火成岩的定年，而Rb－Sr法更适合于酸性、中酸性火成岩的定年。
更重要的是REE在变质作用、热液作用和化学风化作用中比Rb、Sr稳定的多。
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Sm-Nd同位素测年
• 二、钐-钕法测年 • 等时线测年的基本公式为:
（143Nd/144Nd)样品=
(143Nd/144Nd)i +(147Sm/144Nd) 样品(eλt-1)
(147Sm/144Nd)样品(eλt-1)为直线的bX项
斜率b=eλt-1
t=1/λ·ln(b+1)
• Sm－Nd法适合于基性、超基性火成岩 的定年，而Rb－Sr法更适合于酸性、中 酸性火成岩的定年。更重要的是REE在 变质作用、热液作用和化学风化作用中 比Rb、Sr稳定的多。对已发生Rb、Sr 迁移的岩石仍能用Sm－Nd法进行定年。 Sm－Nd法为Rb/Sr比值低或对Rb－Sr 不再封闭的岩石的测年提供了一种有效 方法。
• 硅酸盐造岩矿物中，铀和钍的浓度很低， 一般为几个ppm或更少。但这两种元素在 某些副矿物中呈主要组分或者替代别的元 素。这些副矿物包括沥青铀矿、方钍石 (氧化物)；锆石、钍石、褐帘石(硅酸盐)； 独居石、磷灰石、磷钇石(磷酸盐)和榍石 (钛硅酸盐)。
铀主要有235U和238U两种同位素，其丰度比为: 238U/235U=137.88。 钍有一种同位素232Th。这三种同位素通过放射性衰 变都形成稳定的铅同位素: 238U 206Pb十8α十6β 235U 207Pb十7α十4β 232Th 208Pb十6α十4β 衰变常数为：238λ=1.55125×10-10a-1, 235 λ=9.8485×10-10a-1, 232λ=4.975×10-11a-1
(147Sm／144Nd)DM = 0.2136
(Wasserburg et al., 1981)
(143Nd／144Nd)样品 - (143Nd／144Nd)DM TDM＝1/入ln[1+ ] (147Sm／144Nd)样品 - (147Sm／144Nd)DM 式中：入＝0.00654 Ga-1，下标DM为亏损地幔参考值。
2、测年特征： （1）同时获得四个年龄 （2）可对体系封闭性作出判别（应给出一致年龄， 否则体系遭到破坏） （3）对测年样品有严格要求 上述计算方程中，206Pb、207Pb、208Pb是t0- t时 间内生成的子体同位素，需要扣除t0时的初始Pb。 选择结晶时几乎不含铅的铀钍矿物将提高年龄测 定的精度。目前主要采用锆石，过去也曾应用沥 青铀矿、独居石、榍石、磷灰石、钍石等进行过 U-Pb年龄测定。
143
t
0
1
Nd Nd Sm t e 1 144 Nd 144 Nd 144 Nd CHUR CHUR CHUR
143 143 147
t
0
0
整理:
1 t ln
初始铅，也称普通铅是 指矿物结晶时混入的铅
• 测定矿物中204Pb的量，结合全岩 206Pb/204Pb 、207Pb/204Pb比值，来估算进 入锆石的初始206Pb、207Pb的量，并从锆石 测定的206Pb、207Pb总量中扣除。 • 对普通Pb含量很低的锆石，只要知道大致的 年龄，可从一般的地球Pb演化模式获得 206Pb/204Pb 207Pb/204Pb比值，来估算普通 Pb并进行扣除即可，无须通过分析全岩样品 的Pb同位素组成来进行普通Pb扣除。
第三节 Sm-Nd同位素测年
一、钐-钕地球化学
• Nd和Sm属于轻稀土元素，其中Nd的不相 容性大于Sm. Nd3+离子半径为0.108nm， Sm3+为0.104nm。由于Sm和Nd的化学性 质很相似，因此在地质过程中Sm和Nd不会 发生明显的分离。地球上岩石和矿物的 Sm/Nd比值仅变化于0.1到0.5之间。
• 单阶段钕模式年龄的计算
岩石R在 t 时刻从地幔中分离时，岩石R和球粒陨 石均一库（CHUR）的Nd同位素组成相同。
Nd Nd 144 Nd 144 Nd R CHUR
143 143
t
t
岩石R从 t 演化到现今 0, 其Nd同位素组成存在以 下演化关系:
前两个公式相除: 207Pb/206Pb=235U/238U*(e235λt-1)/(e238λt-1) =1/137.88(e235λt-1)/(e238λt-1)
铀一钍一铅法同时获得四个年龄值,对封闭体 系来说,四个年龄值是相同的。
• 实际测年中将方程除以204Pb: 206Pb*/204Pb = 238U/204Pb(e238λt-1)
一、钐-钕地球化学 Sm和Nd是稀土元素，存在于许多造岩矿物 中，如硅酸盐、磷酸盐和碳酸盐矿物中。
• 钐有七种天然同位素，它们的质量数和同 位素丰度分别为： 143Sm 3.16％， 147Sm 15.07％， 148Sm 11.27％， 149Sm 13.84%， 150Sm 74.7％， 152Sm 26.63％， 154Sm22.53％。
铅有四种同位素：204Pb、206Pb、207Pb 208Pb， 其中206Pb、207Pb和208Pb是由U和 Th衰变而来, 204Pb为非放射性成因的铅同位 素. 它们都是稳定同位。
二 铀一钍一铅法测年
1、铀一钍一铅年龄计算基本公式： 206Pb* = 238U（e238λt-1） 207Pb* = 235U（e235λt-1） 208Pb* = 232Th(e232λt-1）
CHUR
（Wasserburg et al., 1981）
• 单阶段钕模式年龄的计算
地壳物质不断从上地幔中抽出，使上地幔的Nd相对于 Sm亏损, Sm/Nd比值高于CHUR。从亏损上地幔中产 生的地壳岩石，其模式年龄应该用亏损上地幔的演化线 来计算，才更接近实际。这种模式年龄定义为TDM: 亏损上地幔 (143Nd／144Nd)DM = 0.513151
改写成： 同理：
= 238U（e238λt-1） 206Pb*/238U+1= e238λt 207Pb*/235U+1= e235λt
206Pb
t = (1/λ238)ln(206Pb*/238U+1) = (1/λ235)ln(207Pb*/235U+1) 206Pb*/238U+1= (207Pb*/235U+1) λ238/λ235 206Pb*/238U= (207Pb*/235U+1) λ238/λ235-1
（3）富集地幔II (EMII):
(87Sr/86Sr)i<0.7045 (87Sr/86Sr)i>>0.7045
(143Nd/144Nd)i<<0.51264
DMM
Sr-Nd 同 位素揭示出 的地幔同位 素端元组成 和演化趋势.
EM1
EM2
大陆碱性岩浆岩的Sr-Nd同位素 组成演化图
华北中-新生代部分岩浆岩的Sr-Nd同位素组成图解
第四节 铀-钍-铅法测年及铅 同位素地球化学
一 铀、钍和铅的地球化学
• 铀、钍都为第七周期锕系元素，克拉克值分别 为 2.7 及 9.6ppm( 泰勒， 1964) ，在内生成矿 作用中铀、钍都呈四价离子。离子半径 U4+ 为 0.97Å， Th4+ 为 1.02Å，两者电价相同，半径 又非常相近。因此，铀、钍一般紧密共生，含 铀矿物一般都含钍，只是在表生作用下，钍仍 然 是 Th4+ ， 而 铀 易 氧 化 为 六 价 状 态 ， 形 成 [UO2]2+离子，此时铀、钍发生分离。
Nd Nd 144 Nd 144 Nd R CHUR
143 143
t
t
壳-幔分离时 (t) 岩石(R) 和球粒陨石均一库(CHUR) 的Nd同位素组成相同
147 0
其中:
143
Nd Nd Sm t 144 Nd 144 Nd 144 Nd e 1 R R R
Sm-Nd同位素测年
• 在(143Nd/144Nd)i-(87Sr/86Sr)i图解中玄武质岩石的锶-钕
同位素组成表现出三个基本端元：
（1）亏损地幔(DMM): (143Nd/144Nd)i>0.51264 （2）富集地幔 I (EMI): (87Sr/86Sr)i<0.7045
(143Nd/144Nd)i<<0.51264
= 235U/204Pb(e235λt-1） 208Pb*/204Pb = 232Th/204Pb(e232λt-1） 对三种初始铅 (206Pb/204Pb)0进行效正 后即可获得三个年龄值.
207Pb*/204Pb
初始铅，也称普通铅是指矿物结晶时混入 的铅. 在年龄测试中需要扣除
初始Pb的扣除
143 147
Nd Sm
144 144
Nd
Nd
0 R 0 R
143 147
Nd Sm
144 144
Nd
Nd
0
CHUR 0
CHUR
• 式中 t 代表壳-幔分离时间，0代表现今。
143
Nd
Sm
144
Nd
147
144
Nd
0
CHUR
0
= 0.512638
= 0.1967
• 由地幔或地壳岩石部分熔融形成的硅酸 盐熔体中，Nd相对于Sm发生富集，地 壳起源熔体的Sm/Nd比值一般低于上地 幔起源熔体的Sm/Nd比值。 • 在岩浆分离结晶过程中，残余岩浆中Nd 相对于Sm也发生富集, 随岩浆分异程度 增大，残余熔体中Sm和Nd含量升高， Sm/Nd比值有所下降。
Sm-Nd同位素测年
四 钐钕模式年龄简介：
DePaolo 模式(1976) : 假定地球的Nd在一个均一库中演化, 其 Sm/Nd比值与球粒陨石的相等（CHUR）. 地幔部分熔融生成地壳岩石是引起地球 Sm/Nd比值发生变化的主要事件. 地壳岩石在中低级变质作用、剥蚀和沉积作 用中，Sm/Nd比值一般不发生变化。 此时，地壳岩石的Sm-Nd同位素可用来计 算壳-幔分离的时间(模式年龄)。