第六章-同位素地球化学-地球化学课件

北京大学地球与空间科学学院北京大学地球与空间科学学院地球化学研究所地球化学研究所地球化学地球化学授课老师：授课老师：李李 秋秋 根根E-mail:Phone:13671352603(MP)Room:新地学楼3508上次课回顾1）模式年龄2）等时线定年法的原理和应用的必要条件3）U-Pb谐和曲线法第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学本章内容本章内容一、同位素地球化学基础一、同位素地球化学基础一、同位素地球化学基础一、同位素地球化学基础二、放射性同位素地球化学二、放射性同位素地球化学二、放射性同位素地球化学二、放射性同位素地球化学三、稳定同位素地球化学三、稳定同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用3.3.钾钾-氩法年龄测定氩法年龄测定1 1）钾）钾-氩法年龄测定的基本原理氩法年龄测定的基本原理（1 1）钾和氩的地球化学特点）钾和氩的地球化学特点第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 K的地球化学特点1）+1价的碱金属元素，亲石元素，强不相容元素，离子半径为1.33；2）活动性：地表易淋滤，迁移过程中钾部分被粘土矿物吸附，大部分溶于水，进入到湖泊或海洋，以盐类矿物（钾盐、光卤石、明矾石等）沉淀。3）重要造岩矿物，酸性和碱性岩，含钾矿物主要为钾长石、白榴石、霞石、云母、角闪石等。Ar的地球化学特点1）惰性气体；在自然界中的氩主要存在于空气中，构成大气氩；2）一些矿物如辉石、绿柱石、绿泥石等常含有过剩氩（即40Ar/36Ar 295.5），包括岩石和矿物形成时继承的继承氩等。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理（2 2）钾和氩的同位素特点）钾和氩的同位素特点钾（钾（K：Z=19）（相对丰度）（相对丰度）第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学氩（氩（Ar：Zr=18）（相对丰度）相对丰度）:nn3636Ar 0.337%Ar 0.337%nn3838Ar 0.063%Ar 0.063%nn4040Ar 99.600%Ar 99.600%ArAr为惰性气体元素，故在地球形成为惰性气体元素，故在地球形成的早期被大量的早期被大量释放释放到大气圈，使到大气圈，使岩石中具有岩石中具有较高的较高的K/ArK/Ar比值比值。nn3939K 93.258%K 93.258%nn4040K 0.012%K 0.012%（放射性同位素）（放射性同位素）nn4141K 6.730%K 6.730%衰衰变变方式：方式：-衰：衰：4040CaCa；K K层层电电子捕子捕获获：4040ArAr+衰衰变变：40 40ArAr二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理 第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 由于40K只占钾元素约0.012%，虽其中约89.33%放射性衰变形成的40Ca，然而40Ca是其中丰度最高的同位素，故放射性成因所引起的钙同位素组成40Ca/42Ca比值变化量很小；以至于实验室进行准确测定十分困难。因此，在选择K的同位素定年方法时，K-Ar法较K-Ca法更具适用性。当然，近年来随着同位素化学和质谱技术的提高，K-Ca法得到不同程度的开展与应用。通常为何不采用通常为何不采用40K-40Ca测年？测年？Ca属于常量元素，由6个同位素组成：40 Ca：96.941%（占绝对多数）42Ca：0.647%43Ca：0.135%44Ca：2.086%46Ca：0.004%48Ca：0.187%（3 3）4040K K的衰变反应的衰变反应二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理 第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学e =0.581*10-10 yr-1 =4.962*10-10 yr-1=(e+)=5.543*10-10 yr-1 36Ar38Ar40Ar40K39K182019182122Number of neutronsNumber of protons41K2043,44,46,48Ca40Ca42Ca19（3 3）4040K K的衰变反应的衰变反应n n计算公式：计算公式：根据根据 D D*=N(e=N(e t t-1)-1)，4040K K的衰变公式为：的衰变公式为：4040Ar+Ar+4040Ca=Ca=4040K(eK(e t t-1)-1)仅考虑衰变成仅考虑衰变成 4040ArAr*的那部分的那部分4040K K，有，有4040Ar*=Ar*=e e /(/(e e+)4040K(eK(e t t-1)-1)t=1/t=1/ln 1+(ln 1+(4040Ar*/Ar*/4040K)K)e e/(/(e e+)（K-ArK-Ar法年龄计算的基本公式）法年龄计算的基本公式）二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理 第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学（3 3）4040K K的衰变反应的衰变反应4040Ar*=Ar*=e e /(/(e e+)4040K(eK(e t t-1)-1)t=1/t=1/ln 1+(ln 1+(4040Ar*Ar*/4040K K)e e /(/(e e+)二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理 第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学在实际研究当中，通常把样品分成两份，一份样品通过同位素稀释法计算或在实际研究当中，通常把样品分成两份，一份样品通过同位素稀释法计算或通过其他方法测定钾含量计算通过其他方法测定钾含量计算4040K K；另一份样品确定；另一份样品确定4040ArAr（40Ar*=40 40Ar-Ar-295.5295.5*3636ArAr），目前主要采用同位素稀释法计算获得），目前主要采用同位素稀释法计算获得4040ArAr。公式计算年龄需满足的条件：公式计算年龄需满足的条件：A.A.岩石和矿物形成后钾岩石和矿物形成后钾-氩体系始终保持封闭；氩体系始终保持封闭；B.B.样品中不存在样品中不存在过剩氩过剩氩，并对大气氩进行了合理的扣除。，并对大气氩进行了合理的扣除。（4 4）K-Ar K-Ar 法的应用法的应用n n一般情况下一般情况下，由于岩浆的去气作用，含钾矿物或岩石形成时，晶，由于岩浆的去气作用，含钾矿物或岩石形成时，晶体中不含体中不含ArAr，ArAr不进入样品中，可视为不进入样品中，可视为无初始氩，因此矿物中现无初始氩，因此矿物中现存的存的ArAr均为放射成因均为放射成因ArAr。n n适用的样品：角闪石，辉石，白云母，黑云母，长石类，全岩样适用的样品：角闪石，辉石，白云母，黑云母，长石类，全岩样品，海绿石，钾盐等。品，海绿石，钾盐等。第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理 40Ar36Ar36Ar40Ke=295.5+(et-1)（4 4）K-Ar K-Ar 法的应用法的应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理 新西兰新西兰新西兰新西兰Mount WellingtonMount Wellington火山岩火山岩火山岩火山岩K-ArK-Ar等时线年龄等时线年龄等时线年龄等时线年龄40Ar36Ar36Ar40Ke=295.5+(et-1)大量研究发现：包括角闪石、辉石在内的矿大量研究发现：包括角闪石、辉石在内的矿物、深海火山岩均存在过剩氩。物、深海火山岩均存在过剩氩。如果过剩氩仅为大气氩组成（岩浆结晶时初如果过剩氩仅为大气氩组成（岩浆结晶时初始氩来自大气或与大气平衡，大气氩作始氩来自大气或与大气平衡，大气氩作为初始氩），则代表了样品放射性成因为初始氩），则代表了样品放射性成因氩和氩和大气氩大气氩的混合，其等时线年龄具有的混合，其等时线年龄具有地质意义；地质意义；如果除如果除大气氩大气氩外，还有外，还有继承继承ArAr，则等时线无，则等时线无意义。意义。（4 4）K-Ar K-Ar 法的应用法的应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1.1.钾钾-氩法年龄测定和锶同位素地球化学氩法年龄测定和锶同位素地球化学1 1）K-Ar K-Ar 法年龄测定的基本原理法年龄测定的基本原理 关于氩丢失和过剩氩（继承氩）问题：氩是惰性气体，在矿物晶格中稳定性较差，容易发生扩散，对受热作用较为敏感，A.区域变质、接触变质、热液活动等可以使氩丢失：用逐级加热的方法排除氩丢失的影响，等量丢失：40K-40Ar等时线法B.样品中混入大气氩或其它成因的氩（过剩氩）将使年龄偏老，可采用等时线法排除过剩氩的干扰，等量过剩氩:40K/36Ar-40Ar/36Ar等时线法二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定1 1）衫）衫-钕法年龄测定的基本原理钕法年龄测定的基本原理（1 1）衫和钕的地球化学特点）衫和钕的地球化学特点第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 衫（Z=62）和钕（Z=60）：稀土元素，亲石元素，富集在硅酸盐相中，在岩石和矿物中含量低，从超基性-基性-中性-酸性-碱性含量显著增高，但Sm/Nd比值则减小，可见在超基性和基性岩中比值较高。衫（Sm）和钕（Nd）像其它稀土元素一样，一般呈+3价离子。衫和钕没有独立的矿物，常与其它稀土一道赋存在独居石、铌钇矿、磷钇矿等稀土矿物中或以类质同象形式进入到其它矿物晶格中替代Ca 2+、Th 4+、Mn 2+和Zr 4+等离子。含钙的造岩矿物富集Sm和Nd。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定1 1）衫）衫-钕法年龄测定的基本原理钕法年龄测定的基本原理（2 2）衫和钕同位素特点）衫和钕同位素特点第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学nn144144Sm 3.07%Sm 3.07%nn147147Sm 14.99%Sm 14.99%nn148148Sm 11.24%Sm 11.24%nn149149Sm 13.82%Sm 13.82%nn150150Sm 7.38%Sm 7.38%nn152152Sm 26.75%Sm 26.75%nn154154Sm 22.75%Sm 22.75%衫（Sm：Z=62）nn142142Nd 27.11%Nd 27.11%nn143143Nd 12.17%Nd 12.17%nn144144Nd 23.85%Nd 23.85%nn145145Nd 8.30%Nd 8.30%nn146146Nd 17.22%Nd 17.22%nn148148Nd 5.73%Nd 5.73%nn150150Nd 5.63%Nd 5.63%钕（Nd：Z=60）147 147SmSm （=1.061011）、）、148148SmSm（3.01014）、）、149 149SmSm（1.01015）均为放射性的，但仅均为放射性的，但仅147147SmSm可以观察到子体的变化，其可以观察到子体的变化，其余的半衰期太长，可视为余的半衰期太长，可视为稳定同位稳定同位素素。144 144Nd Nd（=2.01015）和和145145Nd Nd（1.01017）也是放射性的，也是放射性的，但半衰期太长，视为但半衰期太长，视为稳定同位素稳定同位素。146Nd/144Nd=0.7219；143Nd/144Nd随时间变化。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定1 1）衫）衫-钕法年龄测定的基本原理钕法年龄测定的基本原理（3 3）衫的衰变反应）衫的衰变反应第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学147Sm=143Nd+a a+E+E钐钐-钕的特点和基本性质：钕的特点和基本性质：n n丰度低，各岩石类型的丰度低，各岩石类型的Sm/NdSm/Nd变化小变化小n n母、子体性质相似母、子体性质相似n n高价态，不易活动高价态，不易活动根据D*=N(et-1),有 143Nd*=147Sm(et-1)t=1/ln(1+143Nd*/147Sm)6260二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定1 1）衫）衫-钕法年龄测定的基本原理钕法年龄测定的基本原理（4 4）等时线年龄）等时线年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定1 1）衫）衫-钕法年龄测定的基本原理钕法年龄测定的基本原理（4 4）等时线年龄）等时线年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 Sm-Nd Sm-Nd法定年主要应用全岩等时线或全岩法定年主要应用全岩等时线或全岩+矿物等时线法，其等时矿物等时线法，其等时线的构筑方法类同于线的构筑方法类同于Rb-SrRb-Sr法。要获得可靠的法。要获得可靠的Sm-NdSm-Nd等时线年龄，同样等时线年龄，同样要满足像要满足像Rb-SrRb-Sr等时线法一样的条件：等时线法一样的条件：n n一组一组同源同源样品在样品在同同一一时时间形成，结晶后，间形成，结晶后，SmSm和和NdNd保持保持封闭封闭体系，没体系，没有与外界发生物质交换；有与外界发生物质交换；显然和必须的；显然和必须的；n nNdNd在样品形成时，同位素需在样品形成时，同位素需均一化均一化，有相同的样品具初始钕有相同的样品具初始钕；n n体系内化学体系内化学成分成分不同，各样品中不同，各样品中Sm/NdSm/Nd比值比值差异明显差异明显；保证横坐标数保证横坐标数据点差别足够大，以能够拉开成等时线据点差别足够大，以能够拉开成等时线。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定1 1）衫）衫-钕法年龄测定的基本原理钕法年龄测定的基本原理（4 4）Sm-NdSm-Nd模式年龄模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学Sm-NdSm-Nd法法测测年的特点：年的特点：nn147147SmSm的半衰期的半衰期长长，是，是测测定古老岩石年定古老岩石年龄龄（1010亿亿年）的有效手段。年）的有效手段。n n镁铁质镁铁质岩石中岩石中Sm/NdSm/Nd比比值值的差异的差异可可满满足等足等时线时线年年龄龄研究的要求。研究的要求。n n变质变质作用，作用，蚀变蚀变作用和作用和风风化作用化作用对对Sm-NdSm-Nd体系的影响很小体系的影响很小(母体和子体母体和子体性性质质相似相似,不会逃逸不会逃逸)。但是，各岩石的但是，各岩石的Sm/NdSm/Nd比比值变值变化范化范围较围较小（一般小（一般0.10.50.10.5），而在一），而在一组组同源的硅同源的硅铝质铝质岩石中岩石中Sm/NdSm/Nd比比值值差异更小，因此差异更小，因此不适合酸性岩不适合酸性岩；适合于超；适合于超镁铁质镁铁质或或镁镁铁质铁质岩岩浆浆岩，如岩，如陨陨石石、月岩和古老的基性岩和超基性岩、月岩和古老的基性岩和超基性岩类类的年的年龄龄。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定1 1）衫）衫-钕法年龄测定的基本原理钕法年龄测定的基本原理（4 4）等时线年龄）等时线年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学球粒陨石全岩样品球粒陨石全岩样品Sm-NdSm-Nd等时线等时线CHURCHUR二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 在衫-钕法年龄计算方程中测年的关键关键是要知道样品形成时的(143Nd/144Nd)o 比值，将假设的初始比值代入Sm-Nd法年龄计算方程中所计算得到的年龄称为同位素模式年龄同位素模式年龄。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 假假设设：如果地壳岩石来源于Sm/Nd比值接近于球粒陨石均一储库（CHUR）型地幔源区，而且Sm-Nd化学分馏主要发生在地壳岩石从CHUR储 库 中 提 取 的 时 期 内，那 么 地 壳 岩 石 在 时 间 t的 初 始(143Nd/144Nd)o 值就等于CHUR源区在时间t的演化值：二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学将t改写成TCHUR TCHUR代表地壳物质从CHUR分离出来的时间二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 随着研究的深入，地壳是从地幔中分异，地幔发生了亏损，因而采用相对于亏损地幔（DM）计算的Nd同位素模式年龄更为合理，即亏损地幔的Nd同位素模式年龄TDM：将将t改写成改写成TDM TDM代表地壳物质从亏损地幔中分离的时间。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学各种类型岩石模式年龄的意义各种类型岩石模式年龄的意义:n n来自地幔的玄武岩类岩石的模式年龄来自地幔的玄武岩类岩石的模式年龄基本代表形成年龄基本代表形成年龄n n沉积岩的模式年龄等于或老于形成年沉积岩的模式年龄等于或老于形成年龄龄n n花岗岩类岩石的模式年龄一般老于其花岗岩类岩石的模式年龄一般老于其形成年龄形成年龄二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学NdNd同位素初始比值获得的方法同位素初始比值获得的方法1.1.等时线法：等时线法：2.2.已知年龄样品可直接计算已知年龄样品可直接计算二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定2 2）衫）衫-钕同位素模式年龄钕同位素模式年龄第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学在地球演化过程中，大离子亲石元素一般在地球演化过程中，大离子亲石元素一般优先富集在地壳上部的岩石中，为了确优先富集在地壳上部的岩石中，为了确切地表达地壳岩石中切地表达地壳岩石中NdNd同位素组成的变同位素组成的变化，引入化，引入 Sm/NdSm/Nd参数，其表达式为：参数，其表达式为：Sm/Nd Sm/Nd=(147Sm/144Nd)s/(147Sm/144Nd)CHUR-1表示现今样品比值相对于现今表示现今样品比值相对于现今CHURCHUR的比的比值的偏差，对于地壳岩石一般为值的偏差，对于地壳岩石一般为-0.3-0.3-0.50.5，平均为，平均为-0.4-0.4。低Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比低Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比高Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比高Sm/Nd and 143Nd/144Nd 比二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定3 3）衫）衫-钕法测年的应用钕法测年的应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4.4.衫衫-钕法年龄测定钕法年龄测定3 3）衫）衫-钕法测年的应用钕法测年的应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学（1 1）Sm-NdSm-Nd法的特点：法的特点：nn147147SmSm的半衰期长，是测定古老岩的半衰期长，是测定古老岩石年龄（石年龄（1010亿年）的有效手段。亿年）的有效手段。n n镁铁质岩石中镁铁质岩石中Sm/NdSm/Nd比值的差异可比值的差异可满足等时线年龄研究的要求。满足等时线年龄研究的要求。n n变质作用，蚀变作用和风化作用对变质作用，蚀变作用和风化作用对Sm-NdSm-Nd体系的影响很小体系的影响很小(母体和子母体和子体性质相似体性质相似,不会逃逸不会逃逸)。（2）适用于Sm-Nd年龄测定的岩石样品基性、超基性岩：岩石形成年龄（等时线年龄）酸性岩：适于模式年龄变质岩：原岩的年龄（岩浆岩，等时线年龄）沉积岩：模式年龄（物源的平均年龄）二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用5.5.镥镥-铪法年龄测定铪法年龄测定1 1）镥）镥-铪法年龄测定的基本原理铪法年龄测定的基本原理第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学l自然界中自然界中Lu元素由两个同位素组成：元素由两个同位素组成：175Lu和和176Lu，lHf元素有元素有6个同位素：个同位素：174Hf(170Yb)、176Hf、177Hf、178Hf、179Hf和和180Hf。lLu-Hf同位素体系存在同位素体系存在176Lu母体衰变母体衰变成成176Hf子体的放射性衰变关系：子体的放射性衰变关系：二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用5.5.镥镥-铪法年龄测定铪法年龄测定1 1）镥）镥-铪法年龄测定的基本原理铪法年龄测定的基本原理第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学主要造岩矿物、副矿物和主要造岩矿物、副矿物和主要造岩矿物、副矿物和主要造岩矿物、副矿物和岩石岩石岩石岩石LuLu和和和和HfHf的平均含量的平均含量的平均含量的平均含量Faure and Mensing(2005)Faure and Mensing(2005)lLu，重稀土元素，重稀土元素，+3价，离子半径价，离子半径0.93；中等不相容元素。部分熔融过；中等不相容元素。部分熔融过程中，一般进入熔体。但是，如果存在程中，一般进入熔体。但是，如果存在石榴石，则易富集在石榴石中；石榴石，则易富集在石榴石中；lHf，典型的高场强元素，典型的高场强元素，+4价，离子半价，离子半径径0.71；中等不相容元素，与；中等不相容元素，与Zr的地的地球化学性质相近。部分熔融过程中，一球化学性质相近。部分熔融过程中，一般进入熔体。但，如果存在锆石，则易般进入熔体。但，如果存在锆石，则易富集在锆石中。富集在锆石中。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用5.5.镥镥-铪法年龄测定铪法年龄测定1 1）镥）镥-铪法年龄测定的基本原理铪法年龄测定的基本原理第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 岩浆演化：超基岩浆演化：超基性性 基性基性 中性中性 酸性，酸性，Lu/Hf（176Lu/177Hf）比比值降低。值降低。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用5.5.镥镥-铪法年龄测定铪法年龄测定1 1）镥）镥-铪法年龄测定的基本原理铪法年龄测定的基本原理第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学三峡地区陡山沱组磷块岩Barfod et al.(2002)意大利西部阿尔卑斯造山带由下而上三个地质单元榴辉岩Lu-Hf矿物内部等时线年龄Duchene et al.(1997)二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用5.5.镥镥-铪法年龄测定铪法年龄测定1 1）镥）镥-铪法年龄测定的基本原理铪法年龄测定的基本原理第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学Hf(0)=(176Hf/177Hf)S/(176Hf/177Hf)CHUR,0-1)10000Hf(t)=(176Hf/177Hf)S-(176Lu/177Hf)S(et-1)/(176Hf/177Hf)CHUR,0-(176Lu/177Hf)CHUR(et-1)-1)10000TDM1=1/(1+(176Hf/177Hf)S-(176Hf/177Hf)DM)/(176Lu/177Hf)S-(176Lu/177Hf)DM)TDM2=TDM1-(TDM1-t)(fcc-fs)/(fcc-fDM)Lu/Hf=(176Lu/177Hf)S/(176Lu/177Hf)CHUR-1 其中，其中，(176Lu/177Hf)S和和(176Hf/177Hf)S为样品测定值，为样品测定值，(176Lu/177Hf)CHUR=0.0332,(176Hf/177Hf)CHUR,0=0.282772;(176Lu/177Hf)DM=0.0384,(176Hf/177Hf)DM=0.28325.cc,s,DM 分别为大陆地壳、样品和亏损地分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的幔的Lu/Hf。t为样品形成时间，为样品形成时间，=1.86710-11 year-1。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用5.5.镥镥-铪法年龄测定铪法年龄测定1 1）镥）镥-铪法年龄测定的基本原理铪法年龄测定的基本原理第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6.6.铼铼-锇法年龄测定锇法年龄测定1 1）铼）铼-锇法年龄测定的基本原理锇法年龄测定的基本原理（1 1）铼和锇的地球化学特点）铼和锇的地球化学特点第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 Re的地球化学特点1）Re为亲铁元素，具有一定的亲硫趋势，金属相或硫化物比较富集，在硅酸盐相中含量很低；2）Re为中等不相容元素，主要富集在地核中，Re在地壳中相对富集。3）Re的电价也为+4价，其离子半径为0.63，与Mo相似；4）高含量矿物：辉钼矿、磁铁矿和罕见独立矿物辉铼矿（ReS2）等。Os地球化学特点1）Os为亲铁元素，具有一定的亲硫趋势，金属相或硫化物比较富集，在硅酸盐相中含量很低；2）Os为相容元素，主要富集在地核中，Os在地壳中相对亏损。3）Os为+4价，其离子半径为0.69，相似于其它铂族元素；4）独立矿物包括铱锇矿（OsIr）、硫钌锇矿（RuS2-OsS2）等。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6.6.铼铼-锇法年龄测定锇法年龄测定1 1）铼）铼-锇法年龄测定的基本原理锇法年龄测定的基本原理（2 2）铼和锇的同位素特点）铼和锇的同位素特点第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学铼（Re：Z=75）（相对丰度）185Re 37.40%187Re 62.60%锇（Os：Z=76）（相对丰度）184Os 0.018%186Os 1.59%187Os 1.64%188Os 18.3%189Os 16.1%190OS 26.4%192Os 41.0%186Os 可以由190Pa经a衰变而形成的放射性成因子体，且自身以a衰变成182W。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6.6.铼铼-锇法年龄测定锇法年龄测定1 1）铼）铼-锇法年龄测定的基本原理锇法年龄测定的基本原理第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 陨石、地幔和部分岩石-矿物的Re、Os含量极其187Re/188OsShirey and Walker(1998)二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6.6.铼铼-锇法年龄测定锇法年龄测定1 1）铼）铼-锇法年龄测定的基本原理锇法年龄测定的基本原理（3 3）衰变反应）衰变反应第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学铼-锇等时线年龄应满足的条件：同其它等时线年龄。其中其中其中其中 187Re187Re=1.666=1.666 1010-11-11yryr-1-1,Smoliar Smoliar et al.et al.(1996)(1996)二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6.6.铼铼-锇法年龄测定锇法年龄测定1 1）铼）铼-锇法年龄测定的基本原理锇法年龄测定的基本原理（3 3）衰变反应）衰变反应第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6.6.铼铼-锇法年龄测定锇法年龄测定1 1）铼）铼-锇法年龄测定的基本原理锇法年龄测定的基本原理（3 3）衰变反应：辉钼矿）衰变反应：辉钼矿Re-OsRe-Os定年定年第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 辉钼矿：由于其Re含量较高，Os含量极，致使具有极高的Re/Os比值，且其初始Os可以忽略不计，因此辉钼矿Re-Os定年既可以对单个样品进行定年，也可以运用等时线方法定年。187Os=187Re(et-1)二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6.6.铼铼-锇法年龄测定锇法年龄测定1 1）铼）铼-锇法年龄测定的基本原理锇法年龄测定的基本原理（3 3）衰变反应：辉钼矿）衰变反应：辉钼矿Re-OsRe-Os定年定年第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学 目前，在地球科学研究中对新生代前的地质事件应用最为广泛的同位素年代学方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四纪研究的同位素地质年代学方法主要为14C法、不平衡铀系法等。6.6.1414C C法年龄测定法年龄测定第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用1）碳的地球化学2）碳的同位素12C 98.89%13C 1.108%14C 1.210-10%自然界14C的存在形式：CO2；14C的储存库：大气圈、水圈和生物圈。碳在周期表中第IV族，原子量12.0038amu，原子序数Z=6，外层4电子，共价化合物；碳元素存在形式：大气圈（CO2）；水圈（HCO3-、H2CO2等）；自然界：金刚石和石墨2 2)1414C C的产生和衰变的产生和衰变(=57=573 30 0 4040 a;a;=1.209=1.209 1010-4-4/a)/a)n n由由宇宙射线宇宙射线作用：作用：14147 7N+N+n n=14146 6C C+1 11 1H H新产生的新产生的1414C C在大气层中很快被氧化成在大气层中很快被氧化成1414COCO2 2，并与大气层中原有的，并与大气层中原有的COCO2 2充分混合充分混合后扩散到整个后扩散到整个大气层大气层中，其再通过与溶解于海水中的中，其再通过与溶解于海水中的COCO2 2交换或通过植物的光交换或通过植物的光合作用、动物对食物的吸收等，使合作用、动物对食物的吸收等，使水圈水圈和和生物圈生物圈中存在宇宙射线成因的中存在宇宙射线成因的1414C C 。nn1414C C的衰变反应：的衰变反应：1414C C蜕变成蜕变成14147 7N N14146 6C=C=14147 7N+N+-二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学6.14C法年龄测定这样这样这样这样1414C C在大气圈、生物圈、水圈在大气圈、生物圈、水圈在大气圈、生物圈、水圈在大气圈、生物圈、水圈和岩石圈中交换循环，并最终达到平衡。和岩石圈中交换循环，并最终达到平衡。和岩石圈中交换循环，并最终达到平衡。和岩石圈中交换循环，并最终达到平衡。二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学6.14C法年龄测定3 3）1414C C法年龄测定及其原理法年龄测定及其原理大气中大气中1414C C的丰度处于动态平衡中，因此可以设：的丰度处于动态平衡中，因此可以设：n n大气中的大气中的1414C C，即母体的量是恒定的（处于交换平衡中）。即母体的量是恒定的（处于交换平衡中）。n n对于生物圈中的碳，在生物体内，由于光合作用，其对于生物圈中的碳，在生物体内，由于光合作用，其1414C C保持动态平保持动态平衡，当含碳生物衡，当含碳生物“死亡死亡”后，其后，其1414C C才才开始按衰变规律减少。开始按衰变规律减少。n n对于岩石圈中的碳，碳酸盐沉积之后，由于对于岩石圈中的碳，碳酸盐沉积之后，由于1414C C 的半衰期只有的半衰期只有57305730 40 a，因而进入岩石圈的1414C C经过一定时期将耗尽。6.6.1414C C法年龄测定法年龄测定第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用4 4）1414C C法测年的理论前提法测年的理论前提 n n近自近自70,000a70,000a以来，宇宙射线的强度未发生明显变化；大气层中以来，宇宙射线的强度未发生明显变化；大气层中1414C C的产生速率不变；大气中的产生速率不变；大气中COCO2 2的放射性的放射性1414C C含量（反射性比度）不含量（反射性比度）不随时间而变化，母体的初始比度随时间而变化，母体的初始比度A A0 0与现代碳的比度相同（与现代碳的比度相同（13.56 13.56 dpm/gdpm/g）；）；n n碳储库中碳储库中1414C C的浓度保持动态平衡，的浓度保持动态平衡，1414C C在所有发生交换的储库中均在所有发生交换的储库中均匀分布，不随地理位置和物质种类而变化；匀分布，不随地理位置和物质种类而变化；n n一旦停止一旦停止1414C C交换，体系保持封闭，不再受周围环境和后期作用的交换，体系保持封闭，不再受周围环境和后期作用的影响。影响。6.6.1414C C法年龄测定法年龄测定第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用5 5）衰变公式）衰变公式 由由N=NN=No o e e-t t,有有ln(N/Nln(N/No o)=-)=-t tt=-(1/t=-(1/)ln()ln(N/NN/No o)t=(1/t=(1/)ln(A)ln(Ao o/A/A)(A)(Ao o=13.56=13.56 0.07dpm/g,0.07dpm/g,为现代大气中的放射性比度，为现代大气中的放射性比度，A A为样品中的放射性比度）为样品中的放射性比度）6.6.1414C C法年龄测定法年龄测定第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学二、放射性同位素测年及其应用二、放射性同位素测年及其应用6 6）适用性）适用性 由于半衰期的限制，适用的主要对象是第四纪由于半衰期的限制，适用的主要对象是第四纪发生过发生过1414C C交换的含碳物质：交换的含碳物质：n n7000070000年的样品。年的样品。适用的样品：适用的样品：n n动植物残骸动植物残骸:如木头、木炭、果实、骨头、骨化石如木头、木炭、果实、骨头、骨化石n n生物碳酸盐和原生无机碳酸盐：贝壳、珊瑚、石生物碳酸盐和原生无机碳酸盐：贝壳、珊瑚、石灰华、苏打、天然碱等灰华、苏打、天然碱等n n含同生有机质的沉积物和土壤：泥炭、淤泥等含同生有机质的沉积物和土壤：泥炭、淤泥等n n古陶器、古铁器等古陶器、古铁器等思考题思考题:n n不同的同位素定年方法如何避免初始的放射性子体影不同的同位素定年方法如何避免初始的放射性子体影响，试解释其原理？响，试解释其原理？n n等时线法定年方法有哪些应用的必要条件，为什么？等时线法定年方法有哪些应用的必要条件，为什么？nn1414C C法年龄测定方法与其它方法有何不同处？法年龄测定方法与其它方法有何不同处？第六章第六章 同位素地球化学同位素地球化学