第四章 同位素地球化學2(2012)

1、 第四章第四章 放射性同位素地球化學放射性同位素地球化學# protons# nucl eons2342352 362 37238 238U234Th929190144145146# protons# neutrons# nucl eons2342352 362 37238-decay# protons# nucl eons868 788 87Rb87Sr38374950# protons# neutrons# nucl eons868 788-decay3 3. .銣銣- -鍶鍶(Rb-Sr)(Rb-Sr)測年及同位素地球化學測年及同位素地球化學 0(1)tDDN e該方程是同位素定年該方程

2、是同位素定年基本原理的表達式基本原理的表達式上節(jié)課主要內(nèi)容：上節(jié)課主要內(nèi)容：10tssseDNDDDD 由于質(zhì)譜分析只能測定同一元素的同位素比值，不能直接測由于質(zhì)譜分析只能測定同一元素的同位素比值，不能直接測定單個同位素的原子數(shù)，因此在同位素年代學方法中，必須選定單個同位素的原子數(shù)，因此在同位素年代學方法中，必須選取子體元素的其它同位素作參照，來進行同位素比值的測定。取子體元素的其它同位素作參照，來進行同位素比值的測定。記參照的同位素為記參照的同位素為Ds，并使等式兩邊同除以，并使等式兩邊同除以DS，則：，則：01ln1sssDDDDtND放射性同位素丟失放射性同位素丟失子體同位素丟失子體同位

3、素丟失母體和子體同位素增加母體和子體同位素增加0(1)tDDN e上節(jié)課主要內(nèi)容：* * *同位素體系的封閉性同位素體系的封閉性ThomsonThomson等等(1905)(1905)首次發(fā)現(xiàn)首次發(fā)現(xiàn)RbRb具有天然放射性，具有天然放射性，19371937年，年，HemmendingerHemmendinger等確認等確認RbRb的天然放射性來的天然放射性來自同位素自同位素8787RbRb的的 - -衰變。衰變。1946-19481946-1948年，年，AhrensAhrens系統(tǒng)研究利用系統(tǒng)研究利用8787RbRb的衰變測定的衰變測定地質(zhì)年齡。地質(zhì)年齡。19591959年前后，提出年前后，

4、提出Rb-SrRb-Sr等時線。等時線。主要內(nèi)容:1. Rb，Sr地球化學性質(zhì)2. Rb-Sr同位素測年原理3. Rb-Sr同位素示蹤原理一、 Rb、Sr的地球化學性質(zhì)堿金屬（Alkali metal）元素，大離子親石元素，不相容元素。Rb+的離子半徑(1.48)； K+的離子半徑(1.33)，在含K的礦物中，Rb+能替代K+； 既是微量元素又是分散元素，不能形成獨立礦物。主要礦物：主要礦物：云母類(Micas )，鉀長石(K-feldspar )（正長石和微斜長石），粘土礦物(clay minerals )，蒸發(fā)鹽(evaporite minerals )（鉀鹽和光鹵石）1、Rb地球化學性質(zhì)

5、(3)自然界銣有2種同位素：85Rb（穩(wěn)定），同位素豐度72.1654%， 87Rb（放射），同位素豐度27.8346%85Rb/87Rb2.59265。Shields(1963)測定202600Ma的不同地質(zhì)產(chǎn)狀中的硅酸鹽礦物的該比值無變化，證實自然界中所有的Rb都具有相同的同位素組成，而與含Rb礦物的產(chǎn)狀、地球化學歷史無關(guān)。在Rb-Sr測年過程中，采用85Rb/87Rb2.59265， Rb相對原子質(zhì)量為85.46776。 堿土金屬（Alkaline earths metal），大離子親石元素；Sr2+的離子半徑(1.13)； Ca+的離子半徑(0.99)，在含Ca的礦物中， Sr2+能替

6、代Ca+；例如：斜長石(Plagioclase),磷灰石(apatite),碳酸鈣(calcium carbonate), 文石(aragonite) Sr2+可以替代K+ ，但伴隨著Al3+替代Si4+ ； 菱鍶礦Strontianite (SrCO3),天青石 celestite (SrSO4) 自然界，鍶有四個同位素（84,86,87,88），豐度（0.56%,9.87%，7.04%，82.53%）2 2、SrSr地球化學性質(zhì)地球化學性質(zhì)鋰云母天河石海綠石光鹵石不同巖石中不同巖石中RbRb、K K、SrSr、CaCa的平均含量（單位：的平均含量（單位：1010-6 -6）巖漿分離結(jié)晶作用

7、過程中：Sr趨向于在早期形成的鈣(質(zhì))斜長石中富集而Rb富集于巖漿殘留液相中，最終進入富鉀礦物，或少量的成為獨立礦物。在逐漸結(jié)晶過程中，殘余巖漿的在逐漸結(jié)晶過程中，殘余巖漿的Rb/SrRb/Sr比值隨分比值隨分異程度的增大而逐漸增大異程度的增大而逐漸增大Sr 有有4個同位素：個同位素：8838Sr8738Sr8638Sr8438Sr82.53% 0.56% 9.87% 7.04% Rb 有有2個同位素：個同位素：8737Rb8537Rb 72.17% 27.83%二、 RbSr同位素測年原理曾用曾用3 3種不同方法測定種不同方法測定8787RbRb半衰期，得到半衰期，得到3030多個多個值，不

8、同結(jié)果間偏差約值，不同結(jié)果間偏差約6%6%，年齡誤差，年齡誤差5%5%6%6%。國際地科聯(lián)地質(zhì)年代學委員會國際地科聯(lián)地質(zhì)年代學委員會(1976)(1976)推薦采用推薦采用8787RbRb的的 T T1/21/2=4.88=4.8810101010a a，=1.42=1.42l0 l0-11-11a a-1 -1。這個值一直延用至今。在此之前，國內(nèi)外曾經(jīng)這個值一直延用至今。在此之前，國內(nèi)外曾經(jīng)用過用過=1.39=1.391010-11-11a a-1 -1或或=1.47=1.471010-11-11a a-1 -1等值。等值。87873738RbSrQ0(1)tDDN e878787t0Sr=

9、 Sr + Rb(e -1)10teDsNDsDDsD8787878686860SrSrRb=+(e1)SrSrSrtRb-SrRb-Sr等時線滿足的條件：等時線滿足的條件： 1）一套巖石系列的不同巖石，由于巖漿結(jié)晶分異作用造成不同巖石的Rb/Sr比值有差異； 2）結(jié)晶分異作用經(jīng)歷的時間較短(與巖石的年齡相比可忽略），各巖石形成Rb-Sr封閉體系的時間大致相同。 3）由于同源巖石具有相同的87Sr/86Sr初始同位素比值； 4）自結(jié)晶以來，每個樣品都符合定年的基本條件呈封閉體系。8787878686860SrSrRb=+(e1)SrSrSrt三、Rb-Sr等時線定年基本假設：巖漿的整個冷卻過程

10、中Sr同位素是均一的，即從巖漿中形成的所有礦物或巖石具有相同的鍶同位素初始比值；巖漿結(jié)晶的時間相對較短，所有的礦物或巖石具有基本相同的年齡；形成以后保持封閉，未受蝕變、變質(zhì)等外來影響；1、巖漿巖Rb-Sr等時線定年8786SrSr8786/RbSr巖漿巖結(jié)晶后巖漿巖結(jié)晶后Rb-Sr同位素體系變化示意圖同位素體系變化示意圖1tme斜斜 率：率：截截 距：距：1ln1tm年年 齡：齡：87860SrSrb圖5-4 Rb-Sr等時線圖 圖5-5 取自加拿大Sudbury的一套花斑巖 過渡巖和蘇長巖的全巖等時線 等時線的斜率表示了174019Ma的年齡地質(zhì)體同位素組成較均一、全巖Rb/Sr質(zhì)量比值差異

11、小，難以形成等時線，此時采用 “全巖-礦物等時線”代表巖石中礦物結(jié)晶年齡，比全巖年齡低。礦物等時線來自同一個巖體的不同巖石標本，分出同一種礦物，例如黑云母，這些礦物中的Rb/Sr不同，分別測Rb、Sr含量及Sr同位素組成，可構(gòu)成等時線圖。從一塊巖石標本中選出不同的含銣礦物，如云母、長石等，分析不同礦物中的Rb、Sr含量及Sr同位素組成，可構(gòu)成等時線圖。（因為不同礦物包括全巖常常有較大的（因為不同礦物包括全巖常常有較大的Rb/SrRb/Sr比差異，在等時線圖上有較大的比差異，在等時線圖上有較大的8787Rb/Rb/8686SrSr展布，易得到比較展布，易得到比較精確的等時線。）精確的等時線。）單

12、礦物單礦物Rb-Sr等等時線時線 2、隕石的Rb-Sr定年1. Since most stony meteroites have yielded similar Rb-Sr dates and innitial 87Sr/86Sr ratios, the isotope composition of Sr at the time of formation of the solar system appears to have been homogeneous. 體系體系礦物礦物封閉溫度封閉溫度/Rb-Sr正長石正長石314Rb-Sr黑云母黑云母30050Rb-Sr白云母白云母500,600-6

13、50Rb-Sr全巖全巖650,680-750Rb-Sr角閃石角閃石550Rb-Sr石榴石石榴石650不同礦物的封閉溫度也有所不同。不同礦物的封閉溫度也有所不同。Rb-Sr封閉溫度是指封閉溫度是指Rb和和Sr完全活動到完全不活動的瞬完全活動到完全不活動的瞬間過渡時的溫度；間過渡時的溫度；3、變質(zhì)巖的Rb-Sr定年變質(zhì)作用對變質(zhì)作用對Rb-Sr同位素體系的影響有兩種：同位素體系的影響有兩種：礦物開放系統(tǒng)礦物開放系統(tǒng)全巖開放系統(tǒng)全巖開放系統(tǒng) 礦物的Rb-Sr系統(tǒng)發(fā)生變化，而全巖的Rb-Sr系統(tǒng)保持封閉。例如：由Rb衰變產(chǎn)生的87Sr在富Rb礦物中占據(jù)不穩(wěn)定晶格。受到變質(zhì)作用，87Sr趨向于遷出晶格，

14、從云母、鉀長石這類富銣礦物中釋放的Sr將趨于被最近的能容納Sr礦物(如斜長石、磷灰石)吸收。然而全巖的Rb-Sr系統(tǒng)不發(fā)生變化。 在這種情況下，全巖等時線年齡和礦物等時線年齡的意義是不同的。礦物開放系統(tǒng)itmtt8786iSrSr8786mSrSr8786SrSrPresent8786iSrSr8786mSrSr8786SrSr礦物等時線指示變質(zhì)作用年齡，截距代表了變質(zhì)均一化時的87Sr/86Sr比值；全巖等時線代表了巖漿結(jié)晶年齡及初始比值。這種情況發(fā)生在低綠片巖相變質(zhì)作用階段。若變質(zhì)作用很輕微，則不能使礦物之間發(fā)生完全的Sr同位素均一化，礦物不能構(gòu)成等時線；若變質(zhì)作用達到中高級綠片巖相以上，

15、則Sr同位素將可能在全巖范圍內(nèi)發(fā)生均一化，這是全巖等時線就代表了變質(zhì)作用的年齡；若經(jīng)歷多次變質(zhì)作用，礦物內(nèi)部等時線往往代表最后退變質(zhì)作用的時間，而全巖等時線往往代表主期變質(zhì)作用的時間；若巖石化學成分發(fā)生了變化，Rb，Sr發(fā)生了帶入和帶出，則不能用Rb-Sr法定年()；變質(zhì)作用會使Sr同位素重新均一化小范圍的均一化：全巖等時線為代表巖石形成年齡，礦物等時線為變質(zhì)年齡。大范圍的均一化：均代表變質(zhì)年齡?？傊簻y年小結(jié)1.Rb-Sr等時線法主要適用于測定基性、中性和中酸性巖漿巖的形成年齡。2.變質(zhì)作用過程中，若礦物Rb-Sr同位素體系開放，但全巖的同位素封閉，則全巖等時線年齡給出原巖的年齡，而礦物等時

16、線年齡給出了最后一次變質(zhì)事件的年齡。3.變質(zhì)作用過程中，若全巖Rb-Sr同位素系統(tǒng)被改造，等時線年齡往往不能提供變質(zhì)巖原巖形成年齡的信息，只代表變質(zhì)事件的年齡或無意義的年齡信息。4.Rb-Sr等時線法很少用于沉積巖年齡測定，如采用該方法，必須對礦物進行詳細的研究，且對制樣的要求也非常嚴格。四、Rb-Sr同位素的示蹤Rb is more incompatible than SrDuring partial melting of mantle and form magma intruding in to crust, Rb-Sr will be fractionated.Rb are easier

17、 to go into melt relative Sr, therefore, mantle will be depleted in Rb, while the crust will be enriched in Rb.RbSrRbSr巖石或者巖漿的同位素特征，只受同位素衰變規(guī)律控制，不受分異結(jié)晶作用影響，同位素比值在分離結(jié)晶過程中不發(fā)生變化，因此由源區(qū)部分熔融形成的巖漿的同位素比值代表其源區(qū)特征。現(xiàn)有的巖石或者巖漿可以識別源區(qū)，如果是混合的源區(qū)，則具有混合的同位素特征。1、Rb-Sr同位素的示蹤原理2、地幔-地殼的Sr同位素組成和演化地球鍶同位素演化(Krauskopf,1995)A A代

18、表假定的在地球形成初期隕石均一儲庫0.699的87Sr/86Sr比值,ADAD表示變?yōu)榈厍虻牡蒯＞粌熘性摫戎档淖兓?如果Rb/Sr比值為0.7015的一批地殼物質(zhì)在約2.9109年時從地幔分離,BCBC表示其Sr同位素比值的增加-假定沒有其中任何元素加入或分出.BEBE表示相應的地殼物質(zhì)源于Sr虧損的地幔部分同位素比值的變化.基本假設：地球形成之初，鍶同位素組成是比較均勻化的。后來，由于其原始物質(zhì)經(jīng)過熔融、分異、形成地殼和地幔，它們的鍶同位素特征不同，所形成的巖石和礦物含有大不相同的Rb/Sr比值，從而使后來的鍶同位素組成不同。地球形成以后，由于其原始物質(zhì)經(jīng)過熔融、分異、形成地地球形成以后

19、，由于其原始物質(zhì)經(jīng)過熔融、分異、形成地殼和地幔，其鍶同位素特征不同。殼和地幔，其鍶同位素特征不同。在地殼形成過程中，由于在地殼形成過程中，由于RbRb向上遷移進入硅鋁殼，所以大向上遷移進入硅鋁殼，所以大陸殼陸殼Rb/SrRb/Sr比值大約是上地幔的比值大約是上地幔的1010倍，而且大陸殼的鍶富倍，而且大陸殼的鍶富含放射成因含放射成因8787SrSr* *。地殼與地幔兩大儲庫之間地殼與地幔兩大儲庫之間SrSr同位素組成上的差異，對于區(qū)同位素組成上的差異，對于區(qū)分大陸殼和地幔的鍶及判斷成巖、成礦物質(zhì)的來源，示蹤分大陸殼和地幔的鍶及判斷成巖、成礦物質(zhì)的來源，示蹤殼幔之間相互作用的強度和過程具有重要意

20、義。殼幔之間相互作用的強度和過程具有重要意義。 對已確認起源于上地幔源區(qū)的現(xiàn)代玄武巖等巖石的87Sr/86Sr進行統(tǒng)計研究的結(jié)果顯示，巖石的87Sr/86Sr值變化于0.7020.706之間，平均值為0.704，Rb/Sr=0.027，以BABI值連接0.702和0.706兩個端點，分別構(gòu)成兩條直線，形成一個陰影區(qū)域，陰影區(qū)即玄武巖源區(qū)，代表上地幔(87Sr/86Sr)0隨時間的演化。若巖石初始87Sr/86Sr比值落在大陸殼增長線和“玄武巖源區(qū)”之間，則表明它們的物源可能是多樣的，或來自殼?；旌系脑磪^(qū)，或來自地殼下部Rb/Sr比值較低的角閃巖相，麻粒巖相高級變質(zhì)巖等。 若巖石的（若巖石的（87Sr/86Sr）0比值落于比值落于“玄武巖區(qū)玄武巖區(qū)”，則表明形