放射性同位素地球化学1

144Sm
: 147Sm : 148Sm : 149Sm : 150Sm : 152Sm : 154Sm = 3.09 : 14.97 : 11.24 : 13.83 : 7.44 : 26.72 : 22.71
142Nd
: 143Nd : 144Nd : 145Nd : 146Nd : 148Nd : 150Nd = 27.11 : 12.17 : 23.85 : 8.30 : 17.22 : 5.73 : 5.62
• 副矿物中，锆石(ZrSiO4)选择性富集U， 而独居石([Ce, La,Th]PO4)选择性富集Th。
地球化学性质(三)
• Pb为易挥发亲铜元素，属中等不相容元素； • Pb的独立矿物为方铅矿（PbS），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。
海水Sr同位素组成与壳幔Sr循环模式
1.3 Sm-Nd 体系
• Sm 和 Nd 都是轻稀土元素，都是中等不相容元素，在地幔 和地壳的部分熔融过程中，易进入熔体相 • Nd原子序数低于Sm 离子半径大于Sm 分配系数小于 Sm，比Sm容易进入熔体相 • 因此，随着岩浆演化，超基性 基性 中性 酸性， Sm/Nd（147Sm/144Nd）比值依次降低
基本的数学关系与参数 = 206Pbi + 238U (el238t – 1) 207Pb = 207Pb + 235U (el235t – 1) i 208Pb = 208Pb + 232Th (el232t – 1) i
206Pb
(1)对于低Pb高U的体系（如锆石） (206Pb/ 238U)* = (el238t – 1) (207Pb/ 235U)* = (el235t – 1) (2)对于一般的Pb同位素体系（全岩＋长石） (206Pb/204Pb)* = m (el238t – 1) (207Pb/204Pb)* = (m/137.88) (el238t – 1) m = 238U/204Pb，在t = 0时，即现代相当值 等时线方程 (207Pb/204Pb)*/ (206Pb/204Pb)* = (1/137.88)[(el235t – 1)/ (el238t – 1)]
基本的数学关系与参数
147Sm 143Nd
= 143Nd + a = 143Ndi + 147Sm(elt – 1) = (143Nd/144Nd )i + (147Sm / 144Nd) (elt – 1)
143Nd/144Nd
(143Nd/144Nd )CHUR = 0.512638 (147Sm/144Nd) CHUR = 0.1967 CHUR = Chondrite Uniform Reservior, 球粒陨石均一库
球粒陨石全岩样品Sm-Nd等时线－－CHUR
• 问题： • 143Nd/144Nd =0.512638，是如何得来的？
Nd同位素的演化(1) －整体地球(CHUR)， 地幔和地壳的分异
岩浆演化：超基性 基性 中性 酸性， Sm/Nd(147Sm/144Nd)比 值降低
Nd同位素的演化(2)-模式年龄
1.1 基本原理
衰变定律
D = D0 + N (elt - 1)
放射性衰变
放射性衰变定律
dN N dt dN = lN 或dt
1
½
¼
时间
不稳定核素及其半衰期
地球化学常用 的衰变体系
地球化学常用衰变体系的一些参数
同位素比值的测量
样品离子化 和引入系统
检测系统
磁场
1.2 Rb-Sr体系
1.4 U-Th-Pb体系
地球化学性质(一)
• U和Th均属锕系元素，常为+4价，但在 地球表层条件下，U呈+6价； • 由于较大的离子半径和高电价，U和Th 均表现为强不相容元素； • +4价U、Th较稳定，但+6价的U可呈 UO22-溶于水而发生迁移；
地球化学性质(二)
• 除极少数情况下以沥青铀矿(uraninite， UO2)和硅酸钍矿(thorite)形式成独立矿 物外，多数条件下U和Th呈分散状分布 于造岩矿物中或集中于副矿物中(锆石、 独居石、磷灰石、榍石)；
Rb-Sr等时线的改造 / 变质作用中的再平衡
Sr同位素比值的演化(1)
随着岩浆演化，超基性 基性 中性 酸性，87Rb/86Sr比值升高
Sr同位素比值的演化(2)
35亿年以来海相碳酸盐Sr同位素组成及其对海水Sr同位素 组成演化手指示。理解图意，对比地幔Nd同位素演化!
Sr同位素比值的演化(2) －显生宙海水
中国科学院地质与地球物理研究所
中国科学院研究生院
2008年
放射性同位素地球化学 (上)
提纲
放射性同位素地球化学(上)
放射性同位素演化的基本原理和同位素示踪的主要方法 1.1 基本原理 1.2 Rb-Sr体系 1.3 Sm-Nd体系 1.4 U-Th-Pb体系 1.5 Lu-Hf体系 1.6 Re-Os体系
Rb是强不相容元素，Sr是中等不相容元素，在上地幔分异 过程中，他们都倾向于进入熔体； Rb的行为类似K，倾向于赋存在白云母，钾长石中； Sr的行为类似Ca，易进入斜长石，磷灰石中（不包括单斜 辉石） • 随着岩浆演化，超基性 基性 中性 酸性， Rb/Sr （87Rb/86Sr）比值升高
(3)对于低U高Pb的体系（如方铅矿）
有U衰变 T 地球年龄 t 方铅矿形成 无U衰变 P 现在
(207Pb/204Pb)t - (207Pb/204Pb)T = (m/137.88) (el235T – el235t) (206Pb/204Pb)t - (206Pb/204Pb)T = m (el238T – el238t) 原始Pb, Canyon Diablo陨硫铁 (207Pb/204Pb)T = 10.294 (206Pb/204Pb)T = 9.307 (208Pb/204Pb)T = 29.476 因此，对方铅矿，可以得到： (207Pb/204Pb)P - 10.294 1 (el235T – el235t) = (206Pb/204Pb)P - 9.307 137.88 (el238T – el238t)
G99-2-3 赣南大余西华山岩体
南岭常见的强过铝S-型花岗岩显微照片 （引自周新民教授报告2008年）
Rb-Sr等时线实例－－玄武质无球粒陨石全岩样品
(87Sr/86Sr)BABI = 0.69899 ± 5
Rb-Sr等时线的改造 / 变质作用中的再平衡
变质作用，就是高温条件下，固态重结晶作用。 由于温度升高，发生同位素交换反应，不同矿物之间，87Sr/86Sr 均一化； 而87Rb/86Sr（Rb/Sr）比值，受分配系数差别的制约，平衡的时 候，不同矿物之间，比值不同。
87Sr
= 87Sr + b-
= 87Sri + 87Rb(elt – 1)
87Sr/86Sr
= (87Sr/86Sr)i + (87Rb/86Sr)(elt – 1)
(87Sr/86Sr)BABI = 0.69899 ± 5 BABI = Basaltic Achondrite Best Initial 玄武质无球粒陨石最佳初始值
Rb-Sr等时线的形成
87Sr 86Sr
( )
87Sr 86Sr
o
a
b
87Rb
86Sr
c
to
Rb-Sr等时线的形成
87Sr 86Sr
c1 a1 a b1
t1
( )
87Sr 86Sr
o
b
87Rb
86Sr
c
to
Rb-Sr等时线的形成
t2
87Sr 86Sr
c2 b2 a2 a1 a b1 c1
t1
( )
•
87Rb 85Rb 84Sr
87Sr + b粒子 : 87Rb = 72 : 28
(l = 1.42 x 10-11 a-1)
: 86Sr : 87Sr : 88Sr （平均） = 0.56 : 9.87 : 7.04 : 82.53

86Sr
是稳定同位素
基本的数学关系与参数
87Rb
Nd同位素模式年龄的说明
模型假设初生地壳的形成速率是均一的，而事 实上地壳增生模型有多种，故存在至少两种模 式年龄的计算方法(线性、指数)；
模型假设Sm/Nd比值变化只发生于地幔岩石部 分熔融形成初生地壳的阶段，但壳内物质的重 熔及高级变质作用同样可引起Sm/Nd比值变化， 故有了二阶段模式年龄（见下图）。 由于现代实验技术条件的误差对tDM的影响，即 传递误差为约0.2Ga，故tDM的计算结果也多以 Ga为单位，而不是Ma，数据精确到小数1~2位。 同理适用于eNd(t) 计算。
亏损地幔模式年龄
TDM
亏损地幔模式年龄
eNd(0)
TCHUR
Nd同位素亏损地幔模式年龄的计算
1) 143Nd/144Nd = (143Nd/144Nd )DM + (147Sm / 144Nd) (elTDM – 1)
2) eNd= 0.25*T2－3T＋8.5 (T in Ga) 143Nd/ 144Nd - (143Nd/144Nd) CHUR 3) eNd= 4 ×１０ 143 144 ( Nd/ Nd) CHUR (143Nd/144Nd )CHUR = 0.512638；(147Sm/144Nd) CHUR = 0.1967
87Sr 86Sr
o
b
87Rb
86Sr
c
to
Rb-Sr等时线示意图
Qtz
Ms Ms Ms Ms 1mm a Qtz Kfs c
Qtz Kfs
Kfs
Ms
Qtz
0.5mm
赣南会昌高排岩体 G99-18-2
b
d
GD06-3 粤北翁源帽峰岩体
Ms
Pl
Qtz
Kfs
Ms Bt
Ms
Ms 1mm
粤北始兴司前岩体 GD 08
问题：
1) 在地质历史上，亏损地幔和由它分异出的陆壳， 143Nd/144Nd 的差别为什么越来越大？ 2) 在什么条件下，MORB的同位素组成与DM相同？什么时候 开始不同？ 3) 什么过程造成Sm/Nd比值变化，什么过程造成143Nd/144Nd比 值变化？
Nd同位素的演化（3）－大陆地壳
Nd同位素的演化(4)-大陆地壳的生长时代
eNd=
143Nd/ 144Nd
- (143Nd/144Nd) CHUR 4 ×１０ 143 144 ( Nd/ Nd) CHUR
Sm-Nd同位素体系的地球化学意义
• 通过对陨石系统的研究，建立了壳幔演化关系模型， 其中包括亏损地幔演化模型、全球地壳生长模型和 区域初生地壳加入模型，并建立了岩浆物质来源的 示踪研究方法； • 对于高级变质变质事件定年，具有重要作用。
144Nd
是稳定同位素
100
Sample/Chondrite
Chondrite N-MORB E-MORB OIB Continental Crust Upper Crust Lower Crust
10
不同 壳幔 端元 REE 组成
1
La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Nd同位素的演化(5)-大陆地壳的二阶段模式年龄
二阶来自百度文库模式年龄
143 147 143 147 Sm Nd Sm lt Nd ( ) ( ) ( ) ( e 1 ) ( ) DM SA SA CC 144 144 144 144 Nd Nd Nd Nd 1 ln 1 147 147 Sm Sm l ( 144 ) CC - ( 144 ) DM Nd Nd
t 2 DM

SA、CC、DM分别代表样品、地壳和亏损地幔。而t表示引起 Sm/Nd比值发生变化的地质过程或事件的时间，如地壳深熔 作用、幔源岩浆发生结晶分异作用和富集REE的矿物发生分 选作用的时间等。T2DM的计算还需知道地幔物质进入地壳后， 并在发生Sm/Nd比值变化前的147Sm/144Nd比值，即地壳的 147Sm/144Nd比值。对于沉积岩类，往往用上地壳的平均比值 来代替：0.1180.017(540个全球沉积岩平均值)，但对于中下 地壳的样品，可能其147Sm/144Nd比值相对要高。但若作为一 种同地区样品间的物源区时代的相对比较，用上地壳组成代 替，仍可获得有意义的地球化学示踪信息。