Lu-Hf同位素体系

1、Lu-Hf同位素体系简介、Lu-Hf同位素错是一种稀土元素，错在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛，但含量很低。自然界中错的重要载体矿物是磷灰石、楣石、结石、石榴石、黑云母及某些稀土矿物(如独居石、黑稀金矿、钥亿矿、褐帘石和硅镀亿矿等)。错有两个天然同位素：175Lu和176Lu。它们的相对丰度分别为97.39%和2.61%。176Lu为放射性同位素，通过衰变形成更稳定的176Hf。错是一种分散元素，其化学性质和离子半径与结石非常相似，因而常以类质同像替换结的方式进入许多矿物的晶体结构，其中以结石中铅的含量最高。错有6个同位素：174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,1

2、80Hf,它们的相对丰度分别为：0.20%,5.2%,18.6%,27.1%,13.7%,35.2%。其中174Hf是放射性同位素，它通过a衰变形成稳定的170Ybo二、Lu-Hf法定年基本原理：173Lu>176Hf，E含错岩石或矿物的年龄可根据下式计算：173Hf/177Hf=(176Hf/177Hf.176Lu/177HMet-1)176Lu的衰变常数入=1.94±0.07-1作01。对于满足等时线年龄测定的一组样品，可采用与Sm-Nd和Rb-Sr法相似的等时线方法来测定样品的Lu-Hf等时线年龄。适合于Lu-Hf同位素年龄测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石。结石的错

3、含量虽高达24X10-6,但因其铅含量太高；硅镀亿矿虽具有很高的错含量，但因其极少见，因而这两个矿物通常不适合用于Lu-Hf年龄的测定对象。三、Lu-Hf法定年实例1 .含石榴石变质岩的Lu-Hf同位素定年石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一中非常常见的矿物。石榴石具有较高的Hf封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的Hf含量使Lu-Hf法比Sm-Nd和Pb-Pb法有更优越的特点。1.1 石榴子石Lu-Hf封闭温度对封闭温度的解读是诠释放射性同位素年龄代表矿物生长/结晶年龄或冷却年龄的重要前提。放射性同位素母子体在特定矿物中的封闭温度与其活化能、元素扩散系数、岩石冷却速率以及矿物颗粒大小和开头等因素密

4、切相关。目前一般认为石榴子石Lu-Hf体系封闭温度高于700C,高于或者等于同等条件下石榴子石Sm-Nd体系的封闭温度。1.2 包裹体的影响变质岩中石榴子石中常见大量的固相包裹体，例如单斜辉石、角闪石、绿泥石、云母、结石、磷灰石、金红石和楣石等。这些常见包裹体矿物中，富集Lu元素的磷灰石和含大量Hf的结石和金红石包裹体对石榴子石Lu-Hf定年的影响不容忽视（图1）,其他常见矿物包裹体对石榴子石Lu-Hf体系的影响则非常有限。图1钻石对于石榴子石Lu-Hf等时线影响示意图1.3 以大别榴辉岩为例的Lu-Hf年代学图2大别榴辉岩样品SH02的石榴子石一全岩176Lu/177Hf-176Hf/177

5、Hf等时线图石榴子石一全岩的等时线图见图2。全岩与石榴子石的176Lu/177Hf比值范围为0.010.05,得到的等时线年龄为254土6Ma,初始176Hf/177Hf比值为0.2821210.000010,MSWD=0.35,对应的Hf(254Ma)=-16.6。石榴子石Lu-Hf定年方法由于石榴子石生长的复杂性，需要考虑多种因素对Lu-Hf年龄结果的影响，才能赋予年龄正确的地质意义。2 .含磷灰石岩石的Lu-Hf同位素定年磷灰石是另一个Lu/Hf比值较高的矿物，由于该矿物不仅产于通常的岩浆岩和变质岩中，在沉积岩中也经常出现，因而也是进行沉积作用定年代的重要对象。岩浆岩，特别是镁铁质岩浆岩

6、由于经常缺乏结石等适合测年的矿物，成为年代学研究中的一个难点。Barfodetal.(2003)对Gardiner、Skaergaar用口Khibina三个侵入体岩石中的磷灰石、异性石、楣石和全岩进行了Lu-Hf同位素测定，所获得的等时线年龄分别为53.53053、60.18045和402.428Ma(采用的176Lu衰变常数为1.869X0-11)。之后，LarssonandSoderlund(2005)t瑞典南部含Fe-Ti矿化的镁铁质堆晶岩进行了测定，其磷灰石、斜长石和全岩构成一条1204.3±8Ma的Lu-Hf等时线，这一年龄也与用其它方法获得的年龄一致。3 .岩石圈地幔的L

7、u-Hf同位素定年岩石圈地幔的定年一直是固体地球科学研究的难点，一方面是缺少常见的定年矿物，其二是地幔的温度高，通常的同位素体系在地幔中不能封闭。止匕外，岩石圈地幔在形成后大多经历过后期交代作用。因此，传统的Sr-Nd-Pb等同位素大多采用Re-Os法来对此年龄加以限定，但Re的活动性质使获得年龄的解释复杂化。因此，近几年来，各国学者都在努力探索Lu-Hf法对岩石圈地幔定年的可行性。从理论上来说，Lu-Hf同位素体系具有较高的封闭温度，并有可能在岩石圈地幔形成后一直保持封闭，从而可以给出可信的年龄。四、Hf同位素在地质学中的应用1 .Hf同位素示踪的基本原理Lu与Hf均为难溶的中等一强不相容性

8、亲石元素，这一点与Sm-Nd体系有很大的类似性。因此，Hf同位素示踪的基本原理与Nd同位素相同。1.1 Hf同位素研究中的有关公式Hf(0)=(176Hf严Hf)s/(176Hf严Hf)chur,0-1)10000&f(t)=(176Hf/177Hf)s-(176Lu/177Hf)sge九T)/76Hf/177Hf)HUR.0-flu/177Hf)hur文九1)卜1产10000THf1=1/ln1(176Hf/177Hf)s-(176Hf/177Hf)DM/(176Lu/177Hf)s一(176Lu/177Hf)dm)THf2=THf1-(THf1-t)(fcc-fs)/(fcc-fD

9、M)fLu/Hf=(176Lu/177Hf)s/(176Lu/177Hf)chur-1其中，(176Lu/177Hf)s和(176Hf/177Hf)s为样品待测值，(176Lu/177Hf)CHUR=0.0332,(176Hf/177Hf)chur,0=0.282772;(176Lu/177Hf)dm=0.0384,(176Hf/177Hf)dm=0.28325ofcc,fs,fDM分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的fLu/Hf。T为样品形成时间，-11-1入=1.867xYyear1。1.2 Nd-Hf同位素的相关性和解耦Sm-Nd、Lu-Hf体系的相似性导致Nd与Hf同位素间呈现正相关（Ve

10、rvoortandPatchett,1996,并提出f2d心的关系式。但这两个体系仍存在一定的差别：（1）在部分熔鬲蚊t程中，Lu/Hf元素的比值变化范围要大于Sm/Nd的变化范围。同时，176Lu的半衰期（36Ga）要比147sm的半衰期（108Ga）差不多要短三倍，从而出现在相同的时间内，Hf同位素比值的变化要大于Nd同位素的变化（约两倍关系），这也使得Lu-Hf体系还可适应于年轻体系的研究；（2）在风化作用过程中，不同产物的Sm/Nd比值不会发生很大的变化；但对Lu-Hf体系，情况变得不同。因为，Hf主要与Zr结合而赋存在结石中，在岩石风化过程中，结石主要在粗粒的碎屑沉积物中富集；而细粒

11、的沉积物，如粘土，其结石的含量很少。因此，不同风化程度岩石的Lu/Hf比值有很大的变化范围，这一现象又称结石效应”（zirconeffect,Patchettetal.,1984）（l是Vervoortelal.（1999）对100余个沉积岩样品的测定发现，所谓的结石效应并不明显。（3）尽管Hf、Nd同位素存在一定的正相关性，但与Sm-Nd体系中Sm的Nd同属稀土元素的特点不同的是，Lu属稀土元素，而Hf属高场强元素，因而Lu和Hf的地球化学性质存在显著差异。这样在岩石变质和岩浆作用过程中，有可能Hf和0之间并不存在预想的线性关系，即存在Nd-Hf同位素的解耦。图3下地壳麻粒岩的Nd-Hf同位

12、素变异图但是，尽管局部地区存在Nd-Hf同位素解耦的实例，但下地壳麻粒岩Nd-Hf同位素间的线性关系仍非常清楚（图3）,表明在宏观尺度上，石榴石可能并未进入熔体相，或者在下部地壳中，石榴石出现的时间较短而不足以产生放射性成因Hf的积累。表1重要地球化学储源库现今Hf同位素组成储源库名称176Lu/177Hf176Hf/177HffLu/Hf球粒陨石亏损地幔下地壳（镁铁质）0.0332及0.03840.0220.282772立90.283250.000.16-0.34上地壳（长英质）平均地壳0.00930.015-0.72-0.551.3 重要地球化学储源库的Hf同位素组成表1列出了目前相对确定

13、的球粒陨石和亏损地幔的Hf同位素组成，对不同类型富集地幔及地壳等的Hf同位素组成目前还缺乏应有的研究。1.4 结石Hf同位素示踪在Hf同位素示踪研究中，结石是一个非常重要的矿物。由于该矿物具有较高的Hf含量，但Lu的含量又极低，从而导致其176Lu/177Hf具有非常低的比值。因此，结石在形成后基本没有明显的放射性成因Hf的积累，所测定的176Hf/177Hf比值基本代表了其形成时体系的Hf同位素组成。运用结石Hf同位素示踪地质演化具有一系列的优越性。首先，结石在大多数岩石中都存在，而且极抗风化；具二，结石具有很高的Hf同位素体系封闭温度；第三,结石具有较高的Hf含量和极低的Lu/Hf比值，因

14、而由年代不确定性引起的176Hf/177Hf比值误差有限；第四，和Nd同位素不同，一个岩石若由多种组份构成，则我们可以通过获得多组结石来认识它的演化，而对于该岩石，我们获得的同Nd同位素数据只有一个。1.5 Hf同位素模式年龄的解释就结石的Hf同位素示踪而言，我们在大多数情况下还应考虑其两阶段的模式年龄，基本原理如图4所示。(J2KJ502830U2K25,-<1如a.三fl7SIS力2制g0.IWOJOOOYWO4000图4单阶段与两阶段Hf模式年龄计算示意图假设2.5Ga时亏损地幔熔融形成玄武质下地壳岩石（地壳形成事件，模式年龄的涵义），而该岩石在1.0Ga时发生再熔融形成花岗岩（地

15、壳物质再循环）。如果所形成的花岗岩具有其源岩的Lu/Hf比值，它演化至现在的Hf同位素组成为A点。这样根据测定获得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf数据，我们可获得该岩石的Hf模式年龄为2.5Ga。但对1.0Ga形成的花岗岩中的结石而言，它演化至现在的Hf同位素组成为B点；根据测定获得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf数据所获得的Hf模式年龄为Tdmi,该值明显小于其真正的模式年龄（2.5Ga）。这时，我们只有使用两阶段模式年龄（TDM2）方法才能获得其真正的壳幔分异作用的时代。显然，如果结石的年龄越年轻，所获得的单阶段模式年龄与真正模式年龄的差值就越大。无论采用单

16、阶段还是两阶段模式，我们都必须注意由于不同地区亏损地幔的不均一性而带来的Hf模式年龄的误差。同时，我们强调，Hf的模式年龄决不等于其形成年龄。对于地幔来源的玄武质岩石而言，如果Hf模式年龄与其形成年龄相近，这表明该玄武质岩石来源于亏损地幔。如果Hf模式年龄大于其形成年龄，则表明其岩浆源区受到过地壳物质的混染或来自于富集性地幔。但若Hf模式年龄在误差范围内小于其形成年龄，则大多数情况下应考虑数据的可靠性或者Nd-Hf同位素的解耦。对花岗质岩石而言，由于它主要来源于地壳岩石的部分熔融，所以其Hf模式年龄要远大于其形成年龄。但若Hf模式年龄与其形成年龄相近，则表明其地壳源区是新生的。比较复杂的是，如果岩石或其源区是由多种组分组成的，或者结石来源于多种组分混合而成的岩浆结晶的，则Hf同位素模式年龄的意义难以讨论。五、结语以上对Lu-Hf同位素的分析方法笔基本原理作了简单的介绍，可以看出，该同位素体系在岩浆岩、沉积岩和变质岩中都具有广泛的应用前景。由于Lu-Hf同位素体系具有比其它同位素体系较高的封闭温度，因此具有更高的精度，尤其是对石榴子石的定年有更好的应用前景。而利用Hf同位素进行