Lu-Hf同位素體系分析

1、Lu-Hf 同位素體系簡介一、Lu-Hf 同位素 镥是一種稀土元素,镥在沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖中的分布相當廣泛,但含 量很低.自然界中镥的重要載體礦物是磷灰石、榍石、鋯石、石榴石、黑云母及 某些稀土礦物(如獨居石、黑稀金礦、鈮釔礦、褐簾石和硅鈹釔礦等) .镥有兩個天然同位素：175Lu和176Lu.它們的相對豐度分別為97.39%和2.61%. 176Lu為放射性同位素,通過 廠衰變形成更穩(wěn)定的176Hf.鉿是一種分散元素,其化學性質(zhì)和離子半徑與鋯石非常相似,因而常以類質(zhì) 同像替換鋯的方式進入許多礦物的晶體結(jié)構(gòu),其中以鋯石中鉿的含量最高.鉿有6個同位素：174Hf,176Hf,177Hf,17

2、8Hf,179Hf,18°Hf,它們的相對豐度分別為：0.20%, 5.2%, 18.6%, 27.1%, 13.7%, 35.2%.其中 174Hf 是放射性同位素,它 通過a衰變形成穩(wěn)定的170Yb.二、Lu-Hf 法定年根本原理：173 Lu 176 Hf E含镥巖石或礦物的年齡可根據(jù)下式計算：173Hf /177 Hf ( 176 Hf /177 Hf )i 176 Lu /177 Hf (e t 1)176Lu的衰變常數(shù) 入=1.94 ± 0.07 X 10-11對于滿足等時線年齡測定的一組樣 品,可采用與 Sm-Nd 和 Rb-Sr 法相似的等時線方法來測定樣品

3、的 Lu-Hf 等時線 年齡.適合于 Lu-Hf 同位素年齡測定的常見礦物為磷灰石、石榴石和獨居石.鋯石 的镥含量雖高達24X1®,但因其鉿含量太高；硅鈹釔礦雖具有很高的镥含量, 但因其極少見,因而這兩個礦物通常不適合用于 Lu-Hf 年齡的測定對象.三、Lu-Hf 法定年實例1.含石榴石變質(zhì)巖的 Lu-Hf 同位素定年 石榴石是結(jié)晶巖,特別是變質(zhì)巖中一中非常常見的礦物.石榴石具有較高的Hf封閉溫度和其中大多數(shù)包裹體礦物較低的Hf含量使Lu-Hf法比Sm-Nd和Pb-Pb法有更優(yōu)越的特點.1.1 石榴子石 Lu-Hf 封閉溫度對封閉溫度的解讀是詮釋放射性同位素年齡代表礦物生長 /結(jié)晶

4、年齡或冷卻 年齡的重要前提. 放射性同位素母子體在特定礦物中的封閉溫度與其活化能、 元 素擴散系數(shù)、巖石冷卻速率以及礦物顆粒大小和開頭等因素密切相關(guān). 目前一般 認為石榴子石Lu-Hf體系封閉溫度高于700C,高于或者等于同等條件下石榴子 石Sm-Nd體系的封閉溫度.1.2包裹體的影響變質(zhì)巖中石榴子石中常見大量的固相包裹體,例如單斜輝石、角閃石、綠泥 石、云母、鋯石、磷灰石、金紅石和榍石等.這些常見包裹體礦物中,富集Lu元 素的磷灰石和含大量Hf的鋯石和金紅石包裹體對石榴子石 Lu-Hf定年的影響不 容無視(圖1),其他常見礦物包裹體對石榴子石 Lu-Hf體系的影響那么非常有限.圖1鋯石對于石

5、榴子石 Lu-Hf等時線影響示意圖1.3以大別榴輝巖為例的Lu-Hf年代學圖2大別榴輝巖樣品SH02的石榴子石一全巖176Lu/177Hf-176Hf/177Hf等時線圖石榴子石一全巖的等時線圖見圖2.全巖與石榴子石的176Lu/177Hf比值范圍 為0.010.05,得到的等時線年齡為254土 16Ma,初始176Hf/177Hf比值為 0.282121 ± 0.000010MSWD=0.35,對應的 硏(254Ma) =-16.6.石榴子石 Lu-Hf 定年方法由于石榴子石生長的復雜性, 需要考慮多種因素對 Lu-Hf 年齡結(jié)果的影響,才能賦予年齡正確的地質(zhì)意義.2.含磷灰石巖石

6、的 Lu-Hf 同位素定年磷灰石是另一個 Lu/Hf 比值較高的礦物,由于該礦物不僅產(chǎn)于通常的巖漿巖 和變質(zhì)巖中,在沉積巖中也經(jīng)常出現(xiàn), 因而也是進行沉積作用定年代的重要對象.巖漿巖,特別是鎂鐵質(zhì)巖漿巖由于經(jīng)常缺乏鋯石等適合測年的礦物,成為年代學研究中的一個難點.Barfod et al. (2003對 Gardiner、Skaergaard和 Khibina 三 個侵入體巖石中的磷灰石、異性石、榍石和全巖進行了 Lu-Hf同位素測定,所獲 得的等時線年齡分別為53.53 ± 0.5360.18 ± 0.45口 402.4 ± 2.8M&采用的176Lu衰

7、 變常數(shù)為 1.869 x T01).之后,Larsson and Soderlund (2005對瑞典南部含 Fe-Ti 礦 化的鎂鐵質(zhì)堆晶巖進行了測定, 其磷灰石、斜長石和全巖構(gòu)成一條 1204.3±1.8Ma 的 Lu-Hf 等時線,這一年齡也與用其它方法獲得的年齡一致.3. 巖石圈地幔的 Lu-Hf 同位素定年 巖石圈地幔的定年一直是固體地球科學研究的難點, 一方面是缺少常見的定 年礦物,其二是地幔的溫度高,通常的同位素體系在地幔中不能封閉.此外,巖 石圈地幔在形成后大多經(jīng)歷過后期交代作用.因此,傳統(tǒng)的 Sr-Nd-Pb 等同位素 大多采用Re-Os法來對此年齡加以限定,但

8、Re的活動性質(zhì)使獲得年齡的解釋復 雜化.因此, 近幾年來, 各國學者都在努力探索 Lu-Hf 法對巖石圈地幔定年的可 行性.從理論上來說, Lu-Hf 同位素體系具有較高的封閉溫度,并有可能在巖石 圈地幔形成后一直保持封閉,從而可以給出可信的年齡.四、Hf 同位素在地質(zhì)學中的應用1.Hf同位素示蹤的根本原理Lu 與 Hf 均為難溶的中等 強不相容性親石元素,這一點與 Sm-Nd 體系有 很大的類似性.因此,Hf同位素示蹤的根本原理與 Nd同位素相同.1.1Hf同位素研究中的有關(guān)公式Hf(0) (176 Hf /177 Hf )S / (176 Hf /177 Hf )CHUR,0 1) 100

9、00Hf(t) (176Hf/177Hf)S (176 Lu/177 Hf )S (et 1)/ 176 Hf /177 Hf CHUR ,0176 Lu /177 Hf CHUR et 11) 10000THf1 1/ ln1 (176Hf /177 Hf )S (176 Hf /177 Hf )DM / (176 Lu /177 Hf )S (176Lu/177Hf)DM)THf 2 THf1 (THf 1 t)( f cc fs)/ (fcc fDM )fLu/Hf (176 Lu /177 Hf )S / (176 Lu /177 Hf )CHUR 1其中,(176Lu/177Hf)s

10、和(176Hf/177Hf)s為樣品待測值,(176Lu/177Hf) chur=0.0332, (176Hf/177Hf)CHUR,0=0.282772；(176Lu/177Hf)DM=0.0384, (176Hf/177Hf)DM=0.28325. fcc, fs, fDM 分別為大陸地殼、樣品和虧損地幔的fLu/Hf . T 為樣品形成時間,入=1.867 xgeaf1.1.2Nd-Hf 同位素的相關(guān)性和解耦Sm-Nd、Lu-Hf體系的相似性導致 Nd與Hf同位素間呈現(xiàn)正相關(guān)Vervoort and Patchett,1996,并提出 押Ndt的關(guān)系式.但這兩個體系仍存在一定的差 別：1

11、在局部熔融過程中,Lu/Hf元素的比值變化范圍要大于 Sm/Nd的變化范 圍.同時,176Lu的半衰期36Ga要比147Sm的半衰期108Ga差不多要短三 倍,從而出現(xiàn)在相同的時間內(nèi),Hf同位素比值的變化要大于 Nd同位素的變化 約兩倍關(guān)系,這也使得Lu-Hf體系還可適應于年輕體系的研究；2在風化 作用過程中,不同產(chǎn)物的Sm/Nd比值不會發(fā)生很大的變化；但對 Lu-Hf體系, 情況變得不同.由于,Hf主要與Zr結(jié)合而賦存在鋯石中,在巖石風化過程中, 鋯石主要在粗粒的碎屑沉積物中富集；而細粒的沉積物,如粘土,其鋯石的含量很少.因此,不同風化程度巖石的Lu/Hf比值有很大的變化范圍,這一現(xiàn)象又稱鋯

12、石效應 zircon effect, Patchett et al.,1984但是 Vervoort el al.1999對 100 余 個沉積巖樣品的測定發(fā)現(xiàn),所謂的鋯石效應并不明顯.3盡管Hf、Nd同位素存在一定的正相關(guān)性,但與Sm-Nd體系中Sm的Nd同屬稀土元素的特點不同的 是,Lu屬稀土元素,而Hf屬高場強元素,因而Lu和Hf的地球化學性質(zhì)存在顯 著差異.這樣在巖石變質(zhì)和巖漿作用過程中,有可能 鉢和曬d之間并不存在預 想的線性關(guān)系,即存在Nd-Hf同位素的解耦.圖3下地殼麻粒巖的Nd-Hf同位素變異圖但是,盡管局部地區(qū)存在Nd-Hf同位素解耦的實例,但下地殼麻粒巖 Nd-Hf 同位素

13、間的線性關(guān)系仍非常清楚圖3,說明在宏觀尺度上,石榴石可能并未進 入熔體相,或者在下部地殼中,石榴石出現(xiàn)的時間較短而缺乏以產(chǎn)生放射性成因 Hf的積累.表1重要地球化學儲源庫現(xiàn)今Hf同位素組成儲源庫名稱176Lu/177Hf176Hf/177Hff Lu/Hf球粒隕石0.0332 ±20.282772 ± 290.00虧損地幔0.03840.283250.16下地殼鎂鐵質(zhì)0.022-0.34上地殼長英質(zhì)0.0093-0.72平均地殼0.015-0.551.3重要地球化學儲源庫的Hf同位素組成表1列出了目前相對確定的球粒隕石和虧損地幔的Hf同位素組成,對不同類型富集地幔及地殼等的

14、Hf同位素組成目前還缺乏應有的研究.1.4鋯石Hf同位素示蹤在Hf同位素示蹤研究中,鋯石是一個非常重要的礦物.由于該礦物具有較 高的Hf含量,但Lu的含量又極低,從而導致其176Lu/177Hf具有非常低的比值. 因此,鋯石在形成后根本沒有明顯的放射性成因Hf的積累,所測定的176Hf/177Hf比值根本代表了其形成時體系的 Hf同位素組成.運用鋯石Hf同位素示蹤地質(zhì)演化具有一系列的優(yōu)越性.首先,鋯石在大多 數(shù)巖石中都存在,而且極抗風化；其二,鋯石具有很高的Hf同位素體系封閉溫度；第三,鋯石具有較高的Hf含量和極低的Lu/Hf比值,因而由年代不確定性 引起的176Hf/177Hf比值誤差有限；

15、第四,和Nd同位素不同,一個巖石假設由多種 組份構(gòu)成,那么我們可以通過獲得多組鋯石來熟悉它的演化,而對于該巖石,我們獲得的同Nd同位素數(shù)據(jù)只有一個.1.5Hf同位素模式年齡的解釋就鋯石的Hf同位素示蹤而言,我們在大多數(shù)情況下還應考慮其兩階段的模式年齡,根本原理如圖4所示.(J 2SJ50 2K25-U非釦學 OKI 5O2KIO0 IWJ ZIXKJ 30004000L (VIA)1(1002.000 3&CMI 4G(MJi (Ma).圖4單階段與兩階段 Hf模式年齡計算示意圖假設2.5Ga時虧損地幔熔融形成玄武質(zhì)下地殼巖石地殼形成事件,模式年齡的涵義,而該巖石在1.0Ga時發(fā)生再熔

16、融形成花崗巖地殼物質(zhì)再循環(huán).如果所形成的花崗巖具有其源巖的 Lu/Hf比值,它演化至現(xiàn)在的Hf同位素組成為A點.這樣根據(jù)測定獲得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf數(shù)據(jù),我們可獲得該巖石的Hf模式年齡為2.5Ga.但對1.0Ga形成的花崗巖中的鋯石而言,它演化至現(xiàn)在的Hf同位素組成為B點；根據(jù)測定獲得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf數(shù)據(jù)所獲得的Hf模式年齡為Tdm1,該值明顯小于其真正的模式年齡2.5Ga.這時,我們只有使用兩階段模式年齡TdM2方法才能獲得其真正的殼幔分異作用的時代.顯然,如果鋯石的年齡越年輕,所獲得的單階段模式年齡與真正模式年齡的差值就 越大.無

17、論采用單階段還是兩階段模式, 我們都必須注意由于不同地區(qū)虧損地幔的 不均一性而帶來的 Hf 模式年齡的誤差.同時,我們強調(diào), Hf 的模式年齡決不等 于其形成年齡.對于地幔來源的玄武質(zhì)巖石而言,如果 Hf 模式年齡與其形成年 齡相近,這說明該玄武質(zhì)巖石來源于虧損地幔.如果 Hf 模式年齡大于其形成年 齡,那么說明其巖漿源區(qū)受到過地殼物質(zhì)的混染或來自于富集性地幔.但假設 Hf 模 式年齡在誤差范圍內(nèi)小于其形成年齡, 那么大多數(shù)情況下應考慮數(shù)據(jù)的可靠性或者 Nd-Hf 同位素的解耦. 對花崗質(zhì)巖石而言, 由于它主要來源于地殼巖石的局部熔 融,所以其 Hf 模式年齡要遠大于其形成年齡. 但假設 Hf 模式年齡與其形成年齡相 近,那么說明其地殼源區(qū)是新生的. 比擬復雜的是, 如果巖石或其源區(qū)是由多種組 分組成的,或者鋯石來源于多種組分混合而成的巖漿結(jié)晶的,那么 Hf 同位素模式 年齡的意義難以討論.五、結(jié)語以上對 Lu-Hf 同位素的分析方法筆根本原理作了簡單的介紹,可以看出,該 同位素體系在巖漿巖、 沉積巖和變質(zhì)巖中都具有廣泛的應用前景. 由于 Lu-Hf 同 位素體系具有比其它同位素體系較高的封閉溫度, 因此具有更高的精度, 尤其是 對石榴子石的定年有更好的應用前景.而利用 Hf 同位素進行示蹤也將在地質(zhì)學 界