南京大学同位素地质学09UPb同位素年代学含作业1剖析

206 Pb / 204 Pb
20.0 19.5 19.0 18.5 18.0
0
5
10
15
20
25
238 U / 204Pb
加拿大Ontario泥盆纪珊瑚的 U-Pb 等时线. (After Smith and Farquhar, 1989.)
但是，由于在低级变质作用和表生风化作用中 Pb、Th特别是U的活动性较大，因此硅酸盐岩 石的U-Pb和Th-Pb体系很少保持封闭：
232Th
100.00
14.010×109
4.9475×10-11
235U/ 238U=1/137.88, 太阳系所有物质均为此常数
Th有6个天然存在的放射性同位素：
其中232Th的丰度接近100%，衰变常数 232=4.947510-11
其它5个Th的同位素是U、Th衰变系列的短寿命 放射性中间子体
经过数百万年以上的地质时代，并且矿物保持封闭体 系，就能达到长期平衡状态:
N11=N22= N33＝…Nnn，
即最终稳定子体的产率等于源头母体的衰变率，中间 子体衰变过程可以忽略。
这意味着，长期平衡下积累起来的放射成因子体的数目 可当作初始母体直接衰变为稳定子体来处理。
因此，可将206Pb、207Pb、208Pb视为 238U、235U、232Th的直接衰变产物来对待：
(e235t
1)

208 204
Pb Pb



208 204
Pb Pb
i

232 204
Th Pb
(e232t
1)
原则上，与Rb-Sr体系相似，上述方程可以用来 构筑等时线图并用于对岩石定年
U-Pb和Th-Pb等时线的前提也与Rb-Sr体系相似
对U-Pb体系而言，还必须假定不存在235U裂变 链，这种情况在自然界很少发生，但在中非加 蓬共和国的奥克咯(Oklo)铀矿床的天然反应堆 里出现。
方程两边除于非放射成因的稳定同位素204Pb， 得到：

206 204
Pb Pb

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206 204
Pb Pb
i

238 U 204 Pb
(e238t
1)

207 204
Pb Pb


207 204
Pb Pb
i

235 U 204 Pb
80 60 40 20
0
81.2±7.7Ma MSWD＝0.58
2000
4000 6000
238U/ 204Pb
8000
广东下庄仙石铀矿床沥青铀矿U-Pb等时线 （邓平等，2003）
岩石U-Pb等时线比较成功的应用例子是对海 洋碳酸盐的定年：
用其它方法对碳酸盐定年很困难，但由于碳 酸盐中Pb含量很低（约100-500ppb），而 U的含量相对较高（50-100ppb），在地质 时期皱纹珊瑚能够产生可测量的206Pb变化。
从而在氧化条件下，U与Th发生分离
在球粒陨石中的含量 U ＝ 0.01ppm ，Th ＝ 0.04ppm。 在部分熔融和岩浆结晶分异过程中，U、Th浓 集于液相并进入富Si产物。 因此，花岗岩质火成岩比基性和超基性岩、陆 壳岩石比上地幔岩石富集U和Th。
Pb在地球中分布很广，不仅作为U、Th的放射成 因子体出现，而且还形成不含U、Th的独立矿物
238 92
U
206 82
Pb
842
He

6β-

Q
235 92
U
207 82
Pb
7
4 2
He

4β -

Q
23980Th
208 82
Pb
6
4 2
He

4β -

Q
9. 3、U-Pb等时线
206Pb=206Pbi+238U(e238t -1) 207Pb=206Pbi+235U(e235t -1) 208Pb=208Pbi+232Th(e232t -1)
母体238U、235U、232Th经过系列衰变最终分别 转变为稳定的子体206Pb、207Pb、208Pb
Pb有4个天然存在的同位素，即除了以上三个 放射成因的同位素以外，还有一个非放射成因 的稳定同位素204Pb
由于238U、235U、232Th的半衰期比它们的子体的半衰 期长得多，即其衰变常数比子体的衰变常数小得多， 符合建立长期平衡的条件（见“衰变定律”一节）
Pb在岩石中呈微量元素。
在岩浆的产生和分异、热液作用、变质作用和风 化作用等过程中，U/Pb和Th/Pb比值会发生改变
9.2、U、Th衰变系列
U有三个天然存在的同位素（均为放射性的）， 其丰度和衰变常数分别为:
Abundances, half-lives and decay constants of U and Th
36
35
Whole rock 25
34
Feldspar
33 0
10
20
30
40 20
如 果 所 分 析 样 品 符 合 这 些 前 提 ， 则 238U-206Pb 、 235U-207Pb、 232Th-208Pb体系应该给出一致的 年龄。
Essonville 花岗岩 中铀矿物的等时线.
After Tilton et al. (1958).
206Pb/ 204Pb
120 100
Isotope Abundance (%) Half-life (years) Decay constant (y-1)
238U
99.2743
4.468×109
1.55125×10-10
235U
0.7200
0.7038×109
9.8485×10-10
234U
0.0057
2.47×105
2.806×10-6
例如美国怀何明州的Granite Mountain岩基的 全岩Th-Pb分析给出大致的等时线年龄为2.8Ga， 但U-Pb等时线图显示U已大量丢失而无法给出年 龄结果（Rosholt and Bartel, 1969）
208Pb/ 204Pb
40
206Pb/204Pb
39
38
37
2.82Ga
30
reference line
9. U-Th-Pb同位素年代学和 Pb同位素演化
9.1、U、Th、Pb的地球化学
U、Th是锕系元素，
U、Th在自然界多以四价氧化态出现，其离子 半径相近（U4+=1. 05Å, Th4+=1.1Å），两者可 以相互置换
在氧化条件下，U形成可溶于水的铀酰离子 （UO22＋）而成为活动性元素 Th只呈四价氧化态，且一般不溶于水