南京大学同位素地质学-06Sm-Nd同位素年代学PPT优秀课件

1、1 6. Sm-Nd同位素年代学同位素年代学 2 Sm的一个同位素（147Sm）是放射性的，它通 过发射粒子而衰变为稳定的143Nd，虽然 147Sm的半衰期很长（T1/2=1.061011年），但 对地球岩石、石陨石和月岩的定年很有用。 而且放射成因的143Nd和87Sr一起提供了了解行 星演化和火成岩石成因的方法。 3 6.1 Sm和和Nd的地球化学性质的地球化学性质 Nd（Z=60）和Sm (Z=62) 是元素周期表IIIB 族中的稀土元素（REE）。 4 REE一般形成+3价离子，它们的离子半径随着原子 序数的增加而减小，即从La (Z=57)的1.15到Lu (Z=71) 的0.93

2、。 5 石灰质陨石石灰质陨石 6 REE在氟碳铈矿、独居石和铈硅矿等矿物中含量 很高，但在一般造岩矿物中REE置换主元素而成 为分散元素。 矿物晶格对容纳REE具有相当大的选择性： 长石、黑云母和磷灰石倾向于选择轻稀土元素 辉石、角闪石和石榴石一般选择重稀土元素。 7 Nd和Sm属于轻稀土元素， Nd3+离子半径为1.08， Sm3+为1.04。 Sm和Nd的化学性质很相似，在许多地质过 程中Sm和Nd不会发生明显的分离。 地球上岩石和矿物的Sm/Nd比值仅变化于 0.1到0.5之间。 8 9 由于Nd3+离子半径较Sm3+的大，因而Nd3+的 离子键较Sm3+的离子键易于断裂，因此， 由地幔

3、或地壳岩石部分熔融形成的硅酸盐由地幔或地壳岩石部分熔融形成的硅酸盐 熔体中，熔体中，Nd相对于相对于Sm发生富集发生富集， 从而典型地壳岩石的Sm/Nd比值低于上地幔 源岩石的Sm/Nd比值。在岩浆分离结晶过程 中，残余岩浆中Nd相对于Sm也发生富集。 10 一般而言，火成岩分异程度增强，其Sm和Nd含 量升高，但Sm/Nd比值有所下降。例如: 洋中脊玄武岩(MORB)的Sm/Nd比值为0.32 而花岗岩的仅为0.19。 与硅饱和的岩石相比，碱性火成岩如响岩、粗 面岩和正长岩富集Sm和Nd，其Sm/Nd比值一般 变化于0.100.20之间。 各种沉积岩也具有较低的Sm/Nd比值。 11 6.2

4、 SmNd法定年法定年 Sm有有7个天然存在的同位素，其丰度如下：个天然存在的同位素，其丰度如下： 144Sm 3.1%，稳定，稳定 147Sm 15%，放射性，放射性 148Sm 11.2% ，稳定，稳定 149Sm 13.8% ，稳定，稳定 150Sm 7.4% ，稳定，稳定 152Sm 26.7% ，稳定，稳定 154Sm 22.8%， 稳定稳定 12 Nd有有7个天然存在的稳定同位素的丰度如下：个天然存在的稳定同位素的丰度如下： 142Nd 27.1% 143Nd 12.2% 144Nd 23.9% 145Nd 8.3% 146Nd 17.2% 148Nd 5.7% 142Nd 5.6

5、% 13 Sm-Nd 之间有两对母-子体同位素： 147Sm衰变为143Nd， 146Sm衰变为142Nd。146Sm的半衰期较短， 现已衰变完了， 146Sm本身是由150Gd衰变而来（Lugmair and Marti, 1977）。 aT 8 2 1 100 . 1 14 QNdSm 143 60 147 62 aT 11 2 1 1006. 1 QSmGd 146 64 150 64 aT 6 2 1 108 . 1 QNdSm 142 60 146 62 aT 8 2 1 100 . 1 15 与Rb-Sr体系相似，147Sm衰变与143Nd的增长 可用下式描述： 1 144 147

6、 144 143 144 143 t i e Nd Sm Nd Nd Nd Nd 式中6.5410-12a-1，是许多测定的加 权平均值（Lugmair and Marti, 1978） 16 SmNd等时线年龄测定，通常通过分析单矿 物或同源同生的一套Sm/Nd比值变化尽可能大 岩石来实现，等时线条件与RbSr法相同。 17 SmNd法适合于基性、超基性火成岩的定年 RbSr法更适合于酸性、中酸性火成岩的定年 更重要的是REE在变质作用、热液作用和化学 风化作用中比Rb、Sr要稳定的多。结果对那些 已发生Rb、Sr迁移的岩石仍能用SmNd法进 行定年 所以SmNd法可用来测定那些因Rb/Sr

7、比值低 或对RbSr不再封闭的岩石的年龄。 18 6.3 低级变质火成岩定年（低级变质火成岩定年（火成岩定年）火成岩定年） 147Sm的半衰期很长，最适用于对前寒武系的 定年。因此，早期的Sm-Nd研究集中于对太 古代火成岩的结晶年龄测定。 太古代火成岩往往由于受后期变质作用的影 响，Rb-Sr或K-Ar法常常不能给出精确的结晶 年龄。Stillwater杂岩体（DePaolo and Wasserburg, 1979）提供了Sm-Nd法应用的 一个很好的例子。 19 0.000.040.08 0.702 0.703 0.704 0.705 0.706 Minerals 2.7 Ga refe

8、rence line PL CPX CPX 87Rb/86Sr 87Sr/86Sr 0.00.10.20.3 0.508 0.510 0.512 0.514 Minerals 2701+-8 Ma CPX CPX WR PL 147Sm/144Nd 143Nd/144Nd 0.120.160.200.24 0.511 0.512 Whole Rocks 2701 Ma mineral isochron 147Sm/144Nd 143Nd/144Nd 从Stillwater杂岩 体层状系列堆晶 岩部分分离出的 三个矿物的Rb-Sr 同位素分析数据 不构成等时线， 而这三个矿物的 Sm-Nd数据构

9、成 一条很好的等时 线，计算年龄为 27018Ma。 20 0.000.040.08 0.702 0.703 0.704 0.705 0.706 Minerals 2.7 Ga reference line PL CPX CPX 87Rb/86Sr 87Sr/86Sr 0.00.10.20.3 0.508 0.510 0.512 0.514 Minerals 2701+-8 Ma CPX CPX WR PL 147Sm/144Nd 143Nd/144Nd 0.120.160.200.24 0.511 0.512 Whole Rocks 2701 Ma mineral isochron 147S

10、m/144Nd 143Nd/144Nd 为检验矿物Sm-Nd体系 是否已遭受变质重置， DePaolo Jahn et al.1982) 22 6.4 高级变质岩定年高级变质岩定年 Sm-Nd法常用于测定其它同位素体系已被 重置的高级变质火成原岩的年龄。 23 例如： 苏格兰西北部的Lewisian片麻岩：麻粒岩相和 角闪岩相片麻岩的全岩Rb-Sr、Pb-Pb和锆石 U-Pb年龄基本一致，分别为2630140、 268060、266020Ma（Moorbath et al., 1975; Chapman and Moorbath, 1977; Pidgeon and Bowes, 1972）。

11、 但是，这些片麻岩一般都很亏损Rb和U，因此 在变质亏损过程中，对Rb和U等元素而言，即 使很大的全岩样品也可能是开放体系。 24 Hamilton et al. (1979) 对一套全岩样品（包 括层状基性岩和英云闪长岩）进行了Sm-Nd 定年，获得等时线年龄292050Ma， 25 0.100.150.200.25 0.511 0.512 0.513 Rb-Sr=2630 K-Ar =2680 U-Pb =2660 2920+-50 Ma 147Sm/144Nd 143Nd/144Nd 说明该片麻岩在麻粒岩相变质过程中对Sm- Nd而言仍为封闭体系。因此该Sm-Nd年龄被 解释为火成原岩的

12、形成年龄。 26 Whitehouse（1988）进行了更详细的研究， 基性岩和中-酸性岩分别进行Sm-Nd定年，结 果表明： 层状基性岩的Sm-Nd年龄保持在2.91Ga； 中 - 酸 性 岩 全 岩 的 S m - N d 等 时 线 年 龄 （2600155Ma）与锆石U-Pb年龄基本一致, 说明中-酸性岩全岩Sm-Nd体系已被重置。 27 Sm-Nd法有时也被用于高级变质矿物(变质事 件)的定年。 然而，REE的不活动性，对测定火成岩结晶年 龄非常有利，但对变质作用的定年却成为不利 因素，在高级变质作用中，矿物Sm-Nd体系可 能受到很大的扰动，但要完全重置不太容易。 28 挪威西部的

13、加里东榴辉岩提供了这方面的一个例子 （Mork and Mearns, 1986）： 辉长岩已经转变为具有榴辉岩的矿物成分（石榴 石和绿辉石），但仍保留残余火成结构，其Sm- Nd同位素在加里东变质过程中没有达到平衡； 而附近已转变为榴辉岩的围岩形成一条分散性很 小的Sm-Nd等时线（MSWD=0.1），其年龄为加 里东变质年龄（40016Ma）。 29 这两种榴辉岩的Sm-Nd同位素差别，不可能是 由P-T条件不同引起，因为两者相距不到1km。 但围岩榴辉岩由于贯透性变形和重结晶，已经 完全丧失了其原岩的组构。Mork and Mearns因 此建议，这种物理上的变动，对于矿物相之间 达到完全的Nd同位素平衡可能是必须的。 30 6.5 热液矿床热液矿床SmNd