铅同位素地球化学及U-Th-Pb法年龄测定

铅同位素主要特性及其在地质科学研究中
的应用
摘要：本文前半部分简要概括了铅及铅同位素的主要化学特征。

在后半部分，列举了铅同位素在地球科学研究中的若干应用：比如地质年龄测年以及测年中应该注意的内容；铅同位素演化与构造环境；区域铅构造-地球化学省；铅同位素的地质示踪作用等。

关键词：铅同位素 U-Th-Pb测年同位素演化与构造环境同位素示踪
一、铅及铅同位素的主要特征
(1)铅的主要特征
铅是自然界中常见的元素之一，原子序数为82，原子量为207.2，位于元素周期表第六周期第ⅣA族。

铅属亲硫元素，但它除具有亲硫特性(形成方铅矿)外，还具有亲氧特性。

后者表现为铅以类质同象形式存在于某些硅酸盐矿物中。

铅能与钾、锶、钡、钙等产生类质同象替换，是因为他们的离子半径相似，铅为1.32Å、钾为1.33Å、锶为1.27Å、钡为1.43Å、钙为1.06Å。

此外，在许多火成岩，特别是花岗岩的硅酸盐矿物中，发现有微量铅，它们可能是以Pb2+离子形式存在的。

一般而言，从橄榄岩到花岗岩，随着岩石中SiO2含量增加，铅平均含量0.2×10-6逐渐升高至22.7×10-6。

这种相关现象主要同岩浆演化过程中，硅与钾密切共生，而铅与钾的离子半径又十分相似有关。

(2)铅同位素主要特征
铅同位素的种类
自然界中铅有8种同位素，其中4种是放射性同位素，4种是稳定同位素。

4种放射性铅同位素是：210Pb，211Pb,212Pb和214Pb，它们分别是3个衰变系列的中间产物，即铀系中的210Pb和214Pb。

铀锕系中的211Pb和钍系(中的212Pb。

除半衰期较长的210Pb(T=22.3a)可用于测定100a以内近代火山作用的年龄外，其他几个放射性同位素由于半衰期很短，在地质上应用不广。

铅的4种稳定同位素是：204Pb,206Pb,207Pb和208Pb。

其中，204Pb是非放射成因铅，迄今还未发现它的放射性母体同位素，因此它可能是在元素合成的过程中产生的。

最近有资料表明，204Pb本身也是放射性同位素，只是因半衰期特别长(T=1.4×1017a)，因而与地球年龄(4.5×109a)比较，204Pb实际上是一个稳定同位素。

自地球形成以来，204Pb的总量保持恒定，因此，通常将204Pb作为地质体中是否存在非放射成因铅的标志。

206Pb,207Pb和208Pb有两种来源：一是在元素合成过程中形成的，它们是非
放射成因的，属原生铅。

二是放射性同位素238U,235U和232Th衰变系列最终形成的稳定产物。

放射成因的206Pb和207Pb叫铀铅，放射成因的208Pb叫钍铅，它们统称为放射成因铅。

由于铅同位素质量数大，所以不同的铅同位素分子之间相对质量差小。

因物理-化学条件变化而造成的铅同位素组成的变化一般可以忽略不计。

因此，在自然界中，铅同位素组成的变化主要是由放射性元素铀和钍的衰变引起的。

由于204Pb的总量自地球形成以来几乎不发生变化，因而在铅同位素研究中，常以206Pb/204Pb，207Pb/204Pb和208Pb/204Pb三组比值表示样品的铅同位素组成。

铅同位素的分类
根据铅同位素演化，将自然铅分为原生铅、原始铅、普通铅和异常铅 4 类。

1．原生铅。

它是指地球物质形成以前在宇宙原子核合成过程中与其他元素同时形成的铅。

原生铅都是非放射成因铅，而且以富含204Pb 为特征，因此它对计算元素的合成年龄是很重要的，但它确切的同位素组成目前还不太清楚。

2．原始铅。

地球形成的最初时刻存在的铅叫原始铅。

一般认为，在地球还没有凝固时，所有的铅都是混合均匀的，具有相同的同位素组成。

因此与原生铅相比，原始铅中相对富集放射成因铅。

原始铅的同位素组成等于原生铅的同位素组成加上原子核合成作用完成至地球刚形成之间，由于铀、钍的放射性衰变所积累的放射成因铅。

原始铅的同位素组成在U-Th-Pb法同位素地质年龄测定中极为重要。

由于地球形成以来各种地质作用的反复改造，目前在地球上已无法获得有关原始铅的确切信息。

通常根据陨石和地球同源的假设，以铀、钍含量最低的Canyon Diablo 铁陨石的铅同位素组成来代表原始铅的同位素组成。

3．普通铅(或正常铅)。

原生铅与不同比例的放射成因铅相混合的铅叫普通铅，它通常是指U / Pb，Th / Pb 很低的体系中的铅，自该体系形成以后没有放射成因铅的明显增长。

根据普通铅的同位素组成按单阶段演化模式计算的年龄接近于真实年龄，所以普通铅也叫单阶段铅。

普通铅同位素组成的变化主要发生在岩石或矿物形成之前。

在岩石或矿物形成以后，由于其中铀、钍含量很低或甚至为零，普通铅中不会有明显的放射成因铅积累。

如方铅矿、白铅矿、黄铁矿等硫化物，钾长石、冰长石等造岩矿物以及新生代岩石中的铅通常属于普通铅。

普通铅的同位素组成等于原始铅的同位素组成加上从地球形成到岩石或矿物形成时所积累的放射成因铅，它的同位素组成随其形成时代不同而发生有规律的变化。

4．异常铅。

它是一种放射成因铅含量升高的铅。

在这种异常铅中，206Pb，207Pb 和208Pb 的含量比同时代普通铅中206Pb , 207Pb 和208Pb 的含量高。

异常铅通常发生在富含铀、钍的岩石或矿物中，它经历了两个或两个以上的演化阶段，所以常把多阶段演化的铅叫做异常铅。

二、铅同位素在地质科学研究中的应用
1.年龄测定
(1)铀-钍-铅计时
当含铀、钍的矿物岩石形成后，经过一定的时间，衰变体系建立起长期平衡，这时就可以把它们看作单衰变而生成放射成因铅，通过建立相应的方程来计算时间。

在这种方法中只要测定样品中铀、钍、铅的含量和铅同位素组成，用合适的办法求得样品的普通铅同位素组成。

便可计算或查表求得样品的年龄。

铀-钍-铅法计时的特点是一个样品可同时获得四个不同的年龄方程，很容易进行结果可靠性的内部检验。

如果四组年龄一致或接近，其年龄的可信度是毫无疑问的。

由于体系没有保持封闭，或者由于普通铅扣除不当，这四组年龄经常是不一致的。

如果年龄的不一致是由于子体的丢失，则其年龄关系表现为t207/206＞t207＞t206＞t208。

这时t207/206最接近真实年龄。

因为这组年龄对铅的丢失不灵敏，特别是近期的铅丢失，基本上不影响年龄值。

反之，如果是由于母体铀的丢失。

则年龄关系为：t207/206＜t207＜t206，t208值同样最接近真实年龄。

如果年龄不一致是由于普通铅扣除不当引起；则年龄之间无规律可循。

另外，对于含铀高的矿物，t208这组年龄经常是不可靠的，而对于主要为含钍的矿物，t208则往往是最可信的。

虽然接近一致的U-Th-Pb年龄可以在文献中见到，但在多数情况下这四组年龄是不一致的，这时就需要进一步通过U－Pb谐和图、等时线和多阶段模式处理来解释这些不一致年龄的地质意义。

普通铅的校正
在一个U-Th-Pb同位素体系中，或多或少地都会有普通铅的存在，事实上，在对矿物进行铅同位素组成测试时，只要发现有204Pb的存在，就说明有普通铅存在。

这几乎没有例外。

因此，准确的普通铅扣除，对于获得正确的年龄数据是至关重要的。

目前主要采用的办法是：采用与含放射性铀、钍矿物共生但不含铀、钍的方铅矿、钾长石或其他硫化物中的铅作为普通铅来扣除。

采用解方程的办法：测定二个锆石样品的铅同位素组成，假定它们的初始普通铅同位素组成相同，可以用消元法解得。

采用单阶段铅演化模型，根据大地构造旋回划分不同时期的普通铅组成，或用物相分析办法从含铀矿物中提取出硫化物等普通铅。

不一致铀- 钍- 铅年龄处理(U-Pb 谐和图、U-Th-Pb 等时线)
U-Pb 谐和图
理论上，对于任一给定的t，总对应于一个确定的207Pb*/235U和206Pb*/238U 值，选择不同的t，则在以206Pb*/238U为纵坐标、以207Pb*/235U为横坐标的图解上可以得到一条连续的曲线。

这条曲线称为谐和曲线或一致曲线。

它的意义在于对任一个U－Th－Pb保持封闭的体系，其206Pb*/238U和207Pb*/235U两组年龄必然相同。

且落在一致曲线上，反之，落在一致曲线上的任何一点、其二组年龄相
同。

实际上其（207Pb/206Pb）*这组年龄亦相同。

如果体系在其存在过程中曾发生过铅丢失或铀获得，其坐标点将落在曲线的下方。

而铀丢失的样品将落在曲线上方。

若U-Th－Pb体系形成后，在某次地质事件中丢失部分放射成因铅，随后又保持封闭体系，那么对一组经历同样地质事件、但放射成因丢失量不同的样品，在206Pb*/238U-207Pb*/235U坐标图上构成一条直线，称为不一致线。

不一致线上每个点都具有互不相同的不一致年龄，它代表了不同的铅丢失量。

不一致曲线和一致曲线有二个交点，上交点代表了样品的形成年龄，下交点表示这种后期作用时间年龄。

铀-钍-铝计时中的不一致年龄，以谐和图法应用最广泛，特别是对锆石的不一致年龄处理。

锆石的不同粒径、颜色、晶形以及成分的环带构造都可能给出有意义的信息。

因为锆石是难熔矿物，在各种地质作用过程中，有可能不同程度地被保存下来，从而加以区分。

谐和图法不仅可提供受扰动的后期地质作用的时代信息，还能根据样品在图上的位置确认其受扰动的子体丢失程度。

造成U-Th-Pb年龄不一致的原因是多方面的，除了插入式丢失的谐和图法解释外，还有所谓的连续扩散模式，扩容模式，蚀变模式，低温退火模式及其他一些提法，不管哪一种模式，其上交点为形成年龄是共同的。

下交点是否有什么含义就不一定了。

因此，对谐和图法或其他方法关于下交点年龄的意义，都必需依地质事实为根据。

不能仅根据图解数字来推断。

U-Th-Pb 等时线
一组样品要进行等时线处理必需满足具有相同的时间、相同的初始普通铅同位素组成和保持母子体的封闭这三个基本条件。

一般说来，由于铀或铅在地质作用过程中易发生丢失，在很多情况下全岩的U-Pb等时线是不成功的，有时能得到较好的Th-Pb等时线，而Pb－Pb等时线应用最广。

U-Th-Pb等时线的一个方便之处在于它不需要象谐和图那样预先进行普通铅校正，可直接用样品中的测定值作图。

不仅如此，还可获得进入矿物岩石中的普通铅同位素组成的信息。

(2)普通铅计时
普通铅计时和铀-钍-铅计时都是利用U(Th) -Pb 衰变体系。

但两者情况正好相反：铀-钍-铅计时研究的是高U/Pb，Th/Pb 体系、以含铀、钍矿物岩石为研究对象；普通铅计时研究的是低U(Th)/Pb 体系，以不含铀、钍矿物岩石为对象。

铀-钍-铅计时测定的年龄是指岩石或矿物从其形成并保持封闭所经历的时间；普通铅计时测定的年龄是指从地球形成或某种地质作用发生以来到体系生成、母子体不再演化所经历的时间。

铀-钍-铅计时需避免和校正普通铅的混入；而普通铅计时则要尽量避免放射成因铅的混染。

2.铅同位素演化与构造环境
现代岩石圈各部分的U、Th、Pb丰度是地球形成以来，壳、幔物质不断交换的结果。

B.R.Doe和R.E.Zartman的假设阐明了壳、幔间U、Th、Pb元素(同位素)的交换，从而摒弃了封闭型的铅同位素成分演化的模式。

该假设把四十亿年前的地球的U、Th、Pb同位素丰度作为起始条件，零亿年为中止条件。

在这期间地球表层经历了一系列的造山运动，这样，
1.每一构造单元(U、Th、Pb的源区)按比例分离出一部分进入造山带；
2.在造山带中物质进行化学和同位素的充分混合；
3.U、Th、Pb在新形成的上、下地壳及地慢中技一定比例重新分配。

从B.R.Doe等人的假设中可见，铅同位素成分在岩石圈不同部分的变化存在着两种倾向：一种倾向是由均一趋向不均一，原始地球表层是由来自均一的地慢物质组成，经过四十亿年的演化所形成的上、下地壳及地慢的U、Th、Pb的丰度相差十几-几十倍。

另一种倾向是由不均一趋向于新的均一，那就是当岩石圈各部分处于交换的动态过程时(如板块构造的造山带环境)，又使它们之间化学和同位素的不均一趋于新的均一。

由于铅同位素成分在岩石圈中变化的这种对立倾向，再加上它们在任何物理化学条件下都没有分馏作用的特征，使我们有可能把铅同位素成分作为构造环境、物质来源和矿床成因的指示剂(马振东，1986)。

3.区域铅构造-地球化学省
对大量地区所做的铅同位素研究表明，同一陆块不同时期、不同成因的岩浆岩、火山岩，其铅同位素具有明显的相似性，即“块体效应”，而处于不同陆块，即使是相同成因的岩浆岩、火山岩其铅同位素组成也完全不同。

因而，我们可以根据不同陆块铅同位素组成的差异来进行区域地球化学和构造分区。

4.铅同位素的地质示踪作用
示踪岩浆物质来源
由于不同源区岩浆岩中放射性元素的丰度不同，铅同位素组成通常有明显差异，因而通过分析岩石的铅同位素组成能够获得岩浆的物质来源和岩石成因的重要信息。

同一陆块中不同岩源的花岗岩其铅同位素组成具有差别，同一岩浆源区的花岗岩其铅同位素组成则十分相似。

例如，来自地幔和下地壳的花岗岩具有低的放射性成因铅，而来自上地壳和造山带的花岗岩常具有较高的放射性成因铅，而来自混合源区的花岗岩其铅同位素特征常介于上述二者之间。

这样，就可以根据相同陆块的同步效应和不同层圈之间的变化来示踪层圈之间的演化机制以及花岗岩的源区。

对于大陆地壳剖面未暴露的地区，通过前寒武纪中深变质岩和不同岩源侵入岩的铅同位素示踪可以了解地壳深部的物质组成并说明成岩物质来源。

大陆地壳和各期花岗岩可以作为铅同位素地球化学示踪的重要媒体。

通常，将所研
究地质体的208Pb/204Pb和207Pb/204Pb对206Pb/204Pb作图，与典型地区地幔、造山带、下地壳和上地壳模式演化曲线对比，大致确定该地质体的物质来源(何琼，1998)。

示踪成矿物质来源
矿石铅是指在各种热液环境中沉淀出的不含U、Th的金属矿物(即矿石矿物)，如方铅矿、黄铁矿等中的铅。

因为矿物中不含U、Th，或U、Th含量极低，与矿物中的铅含量相比可忽略不计，矿物形成后不再有放射性成因铅的明显加入，可反映关于供给原始热液中金属物质来源区的U-Th-Pb体系及其初始铅同位素组成特征。

另外，铅同位素分子的质量数大，不同的同位素分子之间相对质量差小，因此铅元素不仅从矿源岩中浸取时不会产生同位素分馏，而且在转移进入成矿热液并随之迁移的过程中，即使成矿热液的物理化学条件发生变化，它们的同位素组成一般也不会发生变化。

因此，矿石铅组成主要受源区的初始铅、U/Pb、Th/U 比，即μ(238U/204Pb)、ν(235U/204Pb)、ω(232Th/204Pb)、κ(Th/U)及形成时间等因素的制约，而基本不受形成后所处地球化学环境的影响。

所以，通过对矿石铅同位素组成的分析可以逆推源区的U-Th-Pb体系特征，从而获得有关成矿物质来源的信息(吴开兴，2002)。

参考文献
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