第四章 同位素地球化学2(2012)

1、 第四章第四章 放射性同位素地球化学放射性同位素地球化学# 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. .铷铷- -锶锶(Rb-Sr)(Rb-Sr)测年及同位素地球化学测年及同位素地球化学 0(1)tDDN e该方程是同位素定年该方程

2、是同位素定年基本原理的表达式基本原理的表达式上节课主要内容：上节课主要内容：10tssseDNDDDD 由于质谱分析只能测定同一元素的同位素比值，不能直接测由于质谱分析只能测定同一元素的同位素比值，不能直接测定单个同位素的原子数，因此在同位素年代学方法中，必须选定单个同位素的原子数，因此在同位素年代学方法中，必须选取子体元素的其它同位素作参照，来进行同位素比值的测定。取子体元素的其它同位素作参照，来进行同位素比值的测定。记参照的同位素为记参照的同位素为Ds，并使等式两边同除以，并使等式两边同除以DS，则：，则：01ln1sssDDDDtND放射性同位素丢失放射性同位素丢失子体同位素丢失子体同位

3、素丢失母体和子体同位素增加母体和子体同位素增加0(1)tDDN e上节课主要内容：* * *同位素体系的封闭性同位素体系的封闭性ThomsonThomson等等(1905)(1905)首次发现首次发现RbRb具有天然放射性，具有天然放射性，19371937年，年，HemmendingerHemmendinger等确认等确认RbRb的天然放射性来的天然放射性来自同位素自同位素8787RbRb的的 - -衰变。衰变。1946-19481946-1948年，年，AhrensAhrens系统研究利用系统研究利用8787RbRb的衰变测定的衰变测定地质年龄。地质年龄。19591959年前后，提出年前后，

4、提出Rb-SrRb-Sr等时线。等时线。主要内容:1. Rb，Sr地球化学性质2. Rb-Sr同位素测年原理3. Rb-Sr同位素示踪原理一、 Rb、Sr的地球化学性质碱金属（Alkali metal）元素，大离子亲石元素，不相容元素。Rb+的离子半径(1.48)； K+的离子半径(1.33)，在含K的矿物中，Rb+能替代K+； 既是微量元素又是分散元素，不能形成独立矿物。主要矿物：主要矿物：云母类(Micas )，钾长石(K-feldspar )（正长石和微斜长石），粘土矿物(clay minerals )，蒸发盐(evaporite minerals )（钾盐和光卤石）1、Rb地球化学性质

5、(3)自然界铷有2种同位素：85Rb（稳定），同位素丰度72.1654%， 87Rb（放射），同位素丰度27.8346%85Rb/87Rb2.59265。Shields(1963)测定202600Ma的不同地质产状中的硅酸盐矿物的该比值无变化，证实自然界中所有的Rb都具有相同的同位素组成，而与含Rb矿物的产状、地球化学历史无关。在Rb-Sr测年过程中，采用85Rb/87Rb2.59265， Rb相对原子质量为85.46776。 碱土金属（Alkaline earths metal），大离子亲石元素；Sr2+的离子半径(1.13)； Ca+的离子半径(0.99)，在含Ca的矿物中， Sr2+能替

6、代Ca+；例如：斜长石(Plagioclase),磷灰石(apatite),碳酸钙(calcium carbonate), 文石(aragonite) Sr2+可以替代K+ ，但伴随着Al3+替代Si4+ ； 菱锶矿Strontianite (SrCO3),天青石 celestite (SrSO4) 自然界，锶有四个同位素（84,86,87,88），丰度（0.56%,9.87%，7.04%，82.53%）2 2、SrSr地球化学性质地球化学性质锂云母天河石海绿石光卤石不同岩石中不同岩石中RbRb、K K、SrSr、CaCa的平均含量（单位：的平均含量（单位：1010-6 -6）岩浆分离结晶作用

7、过程中：Sr趋向于在早期形成的钙(质)斜长石中富集而Rb富集于岩浆残留液相中，最终进入富钾矿物，或少量的成为独立矿物。在逐渐结晶过程中，残余岩浆的在逐渐结晶过程中，残余岩浆的Rb/SrRb/Sr比值随分比值随分异程度的增大而逐渐增大异程度的增大而逐渐增大Sr 有有4个同位素：个同位素：8838Sr8738Sr8638Sr8438Sr82.53% 0.56% 9.87% 7.04% Rb 有有2个同位素：个同位素：8737Rb8537Rb 72.17% 27.83%二、 RbSr同位素测年原理曾用曾用3 3种不同方法测定种不同方法测定8787RbRb半衰期，得到半衰期，得到3030多个多个值，不

8、同结果间偏差约值，不同结果间偏差约6%6%，年龄误差，年龄误差5%5%6%6%。国际地科联地质年代学委员会国际地科联地质年代学委员会(1976)(1976)推荐采用推荐采用8787RbRb的的 T T1/21/2=4.88=4.8810101010a a，=1.42=1.42l0 l0-11-11a a-1 -1。这个值一直延用至今。在此之前，国内外曾经这个值一直延用至今。在此之前，国内外曾经用过用过=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等时线满足的条件：等时线满足的条件： 1）一套岩石系列的不同岩石，由于岩浆结晶分异作用造成不同岩石的Rb/Sr比值有差异； 2）结晶分异作用经历的时间较短(与岩石的年龄相比可忽略），各岩石形成Rb-Sr封闭体系的时间大致相同。 3）由于同源岩石具有相同的87Sr/86Sr初始同位素比值； 4）自结晶以来，每个样品都符合定年的基本条件呈封闭体系。8787878686860SrSrRb=+(e1)SrSrSrt三、Rb-Sr等时线定年基本假设：岩浆的整个冷却过程

10、中Sr同位素是均一的，即从岩浆中形成的所有矿物或岩石具有相同的锶同位素初始比值；岩浆结晶的时间相对较短，所有的矿物或岩石具有基本相同的年龄；形成以后保持封闭，未受蚀变、变质等外来影响；1、岩浆岩Rb-Sr等时线定年8786SrSr8786/RbSr岩浆岩结晶后岩浆岩结晶后Rb-Sr同位素体系变化示意图同位素体系变化示意图1tme斜斜 率：率：截截 距：距：1ln1tm年年 龄：龄：87860SrSrb图5-4 Rb-Sr等时线图 图5-5 取自加拿大Sudbury的一套花斑岩 过渡岩和苏长岩的全岩等时线 等时线的斜率表示了174019Ma的年龄地质体同位素组成较均一、全岩Rb/Sr质量比值差异

11、小，难以形成等时线，此时采用 “全岩-矿物等时线”代表岩石中矿物结晶年龄，比全岩年龄低。矿物等时线来自同一个岩体的不同岩石标本，分出同一种矿物，例如黑云母，这些矿物中的Rb/Sr不同，分别测Rb、Sr含量及Sr同位素组成，可构成等时线图。从一块岩石标本中选出不同的含铷矿物，如云母、长石等，分析不同矿物中的Rb、Sr含量及Sr同位素组成，可构成等时线图。（因为不同矿物包括全岩常常有较大的（因为不同矿物包括全岩常常有较大的Rb/SrRb/Sr比差异，在等时线图上有较大的比差异，在等时线图上有较大的8787Rb/Rb/8686SrSr展布，易得到比较展布，易得到比较精确的等时线。）精确的等时线。）单

12、矿物单矿物Rb-Sr等等时线时线 2、陨石的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. 体系体系矿物矿物封闭温度封闭温度/Rb-Sr正长石正长石314Rb-Sr黑云母黑云母30050Rb-Sr白云母白云母500,600-6

13、50Rb-Sr全岩全岩650,680-750Rb-Sr角闪石角闪石550Rb-Sr石榴石石榴石650不同矿物的封闭温度也有所不同。不同矿物的封闭温度也有所不同。Rb-Sr封闭温度是指封闭温度是指Rb和和Sr完全活动到完全不活动的瞬完全活动到完全不活动的瞬间过渡时的温度；间过渡时的温度；3、变质岩的Rb-Sr定年变质作用对变质作用对Rb-Sr同位素体系的影响有两种：同位素体系的影响有两种：矿物开放系统矿物开放系统全岩开放系统全岩开放系统 矿物的Rb-Sr系统发生变化，而全岩的Rb-Sr系统保持封闭。例如：由Rb衰变产生的87Sr在富Rb矿物中占据不稳定晶格。受到变质作用，87Sr趋向于迁出晶格，

14、从云母、钾长石这类富铷矿物中释放的Sr将趋于被最近的能容纳Sr矿物(如斜长石、磷灰石)吸收。然而全岩的Rb-Sr系统不发生变化。 在这种情况下，全岩等时线年龄和矿物等时线年龄的意义是不同的。矿物开放系统itmtt8786iSrSr8786mSrSr8786SrSrPresent8786iSrSr8786mSrSr8786SrSr矿物等时线指示变质作用年龄，截距代表了变质均一化时的87Sr/86Sr比值；全岩等时线代表了岩浆结晶年龄及初始比值。这种情况发生在低绿片岩相变质作用阶段。若变质作用很轻微，则不能使矿物之间发生完全的Sr同位素均一化，矿物不能构成等时线；若变质作用达到中高级绿片岩相以上，

15、则Sr同位素将可能在全岩范围内发生均一化，这是全岩等时线就代表了变质作用的年龄；若经历多次变质作用，矿物内部等时线往往代表最后退变质作用的时间，而全岩等时线往往代表主期变质作用的时间；若岩石化学成分发生了变化，Rb，Sr发生了带入和带出，则不能用Rb-Sr法定年()；变质作用会使Sr同位素重新均一化小范围的均一化：全岩等时线为代表岩石形成年龄，矿物等时线为变质年龄。大范围的均一化：均代表变质年龄。总之：测年小结1.Rb-Sr等时线法主要适用于测定基性、中性和中酸性岩浆岩的形成年龄。2.变质作用过程中，若矿物Rb-Sr同位素体系开放，但全岩的同位素封闭，则全岩等时线年龄给出原岩的年龄，而矿物等时

16、线年龄给出了最后一次变质事件的年龄。3.变质作用过程中，若全岩Rb-Sr同位素系统被改造，等时线年龄往往不能提供变质岩原岩形成年龄的信息，只代表变质事件的年龄或无意义的年龄信息。4.Rb-Sr等时线法很少用于沉积岩年龄测定，如采用该方法，必须对矿物进行详细的研究，且对制样的要求也非常严格。四、Rb-Sr同位素的示踪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岩石或者岩浆的同位素特征，只受同位素衰变规律控制，不受分异结晶作用影响，同位素比值在分离结晶过程中不发生变化，因此由源区部分熔融形成的岩浆的同位素比值代表其源区特征。现有的岩石或者岩浆可以识别源区，如果是混合的源区，则具有混合的同位素特征。1、Rb-Sr同位素的示踪原理2、地幔-地壳的Sr同位素组成和演化地球锶同位素演化(Krauskopf,1995)A A代

18、表假定的在地球形成初期陨石均一储库0.699的87Sr/86Sr比值,ADAD表示变为地球的地幔均一储库中该比值的变化.如果Rb/Sr比值为0.7015的一批地壳物质在约2.9109年时从地幔分离,BCBC表示其Sr同位素比值的增加-假定没有其中任何元素加入或分出.BEBE表示相应的地壳物质源于Sr亏损的地幔部分同位素比值的变化.基本假设：地球形成之初，锶同位素组成是比较均匀化的。后来，由于其原始物质经过熔融、分异、形成地壳和地幔，它们的锶同位素特征不同，所形成的岩石和矿物含有大不相同的Rb/Sr比值，从而使后来的锶同位素组成不同。地球形成以后，由于其原始物质经过熔融、分异、形成地地球形成以后

19、，由于其原始物质经过熔融、分异、形成地壳和地幔，其锶同位素特征不同。壳和地幔，其锶同位素特征不同。在地壳形成过程中，由于在地壳形成过程中，由于RbRb向上迁移进入硅铝壳，所以大向上迁移进入硅铝壳，所以大陆壳陆壳Rb/SrRb/Sr比值大约是上地幔的比值大约是上地幔的1010倍，而且大陆壳的锶富倍，而且大陆壳的锶富含放射成因含放射成因8787SrSr* *。地壳与地幔两大储库之间地壳与地幔两大储库之间SrSr同位素组成上的差异，对于区同位素组成上的差异，对于区分大陆壳和地幔的锶及判断成岩、成矿物质的来源，示踪分大陆壳和地幔的锶及判断成岩、成矿物质的来源，示踪壳幔之间相互作用的强度和过程具有重要意

20、义。壳幔之间相互作用的强度和过程具有重要意义。 对已确认起源于上地幔源区的现代玄武岩等岩石的87Sr/86Sr进行统计研究的结果显示，岩石的87Sr/86Sr值变化于0.7020.706之间，平均值为0.704，Rb/Sr=0.027，以BABI值连接0.702和0.706两个端点，分别构成两条直线，形成一个阴影区域，阴影区即玄武岩源区，代表上地幔(87Sr/86Sr)0随时间的演化。若岩石初始87Sr/86Sr比值落在大陆壳增长线和“玄武岩源区”之间，则表明它们的物源可能是多样的，或来自壳幔混合的源区，或来自地壳下部Rb/Sr比值较低的角闪岩相，麻粒岩相高级变质岩等。 若岩石的（若岩石的（87Sr/86Sr）0比值落于比值落于“玄武岩区玄武岩区”，则表明形