所测定的 176Hf/177Hf 比值根基代表了其构成时系统

发布时间:2019-11-26编辑:admin浏览:

  Lu-Hf同位素系统_天然科学_专业材料。Lu-Hf 同位素系统简介 一、Lu-Hf 同位素 镥是一种稀土元素,镥正在堆积岩、变质岩和火成岩中的分布相当普遍,但含 量很低。天然界中镥的主要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及 某些稀土

  Lu-Hf 同位素系统简介 一、Lu-Hf 同位素 镥是一种稀土元素,镥正在堆积岩、变质岩和火成岩中的分布相当普遍,但含 量很低。天然界中镥的主要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及 某些稀土矿物(如独居石、黑稀金矿、铌钇矿、褐帘石和硅铍钇矿等) 。 175 镥有两个天然同位素: Lu 和 176Lu。 它们的相对品貌别离为 97.39%和 2.61%。 176 Lu 为放射性同位素,通过 β—衰变构成更不变的 176Hf。 铪是一种分离元素,其化学性质和离子半径取锆石很是类似,因此常以类质 同像替代锆的体例进入很多矿物的晶体布局,此中以锆石中铪的含量最高。 174 铪有 6 个同位素: Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,180Hf, 它们的相对品貌别离为: 0.20%,5.2%,18.6%,27.1%,13.7%,35.2%。此中 174Hf 是放射性同位素,它 通过 α 衰变构成不变的 170Yb。 二、Lu-Hf 年 根基道理: 173 Lu ?176 Hf ? ? ? ? ? ? E 含镥岩石或矿物的春秋可按照下式计较: 173 Hf /177 Hf ? (176 Hf /177 Hf )i ?176 Lu /177 Hf (e?t ?1) 176 Lu 的衰变 λ=1.94±0.07×10-11a-1。对于满脚等时线春秋测定的一组样 品,可采用取 Sm-Nd 和 Rb-Sr 法类似的等时线方式来测定样品的 Lu-Hf 等时线 春秋。 适合于 Lu-Hf 同位素春秋测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石。锆石 的镥含量虽高达 24× 10-6,但因其铪含量太高;硅铍钇矿虽具有很高的镥含量, 但因其少少见,因此这两个矿物凡是不适合用于 Lu-Hf 春秋的测定对象。 三、Lu-Hf 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,出格是变质岩中一中很是常见的矿物。石榴石具有较高的 Hf 封锁温度和此中大大都包裹体矿物较低的 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 封锁温度 对封锁温度的解读是诠射性同位素春秋代表矿物发展/结晶春秋或冷却 春秋的主要前提。 放射性同位素体正在特定矿物中的封锁温度取其活化能、元 素扩散系数、 岩石冷却速度以及矿物颗粒大小和开甲等要素亲近相关。目前一般 认为石榴子石 Lu-Hf 系统封锁温度高于 700℃,高于或者等于划一前提下石榴子 石 Sm-Nd 系统的封锁温度。 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、锆石、磷灰石、金红石和榍石等。这些常见包裹体矿物中,富集 Lu 元素的磷灰石和含大量 Hf 的锆石和金红石包裹体对石榴子石 Lu-Hf 定年的影响 不容轻忽(图 1) ,其他常见矿物包裹体对石榴子石 Lu-Hf 系统的影响则很是有 限。 图 1 锆石对于石榴子石 Lu-Hf 等时线 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—全岩 176Lu/177Hf-176Hf/177Hf 等时线图 石榴子石—全岩的等时线。全岩取石榴子石的 为 0.01~0.05 , 得 到 的 等 时 线Hf 比值范畴 Hf/177Hf 比 值 为 176 0.282121± 0.000010,MSWD=0.35,对应的 εHf(254Ma)=-16.6。 石榴子石 Lu-Hf 定年方式因为石榴子石发展的复杂性,需要考虑多种要素对 Lu-Hf 春秋成果的影响,才能付与春秋准确的地质意义。 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,因为该矿物不只产于凡是的岩浆岩 和变质岩中, 正在堆积岩中也经常呈现, 因此也是进行堆积感化定年代的主要对象。 岩浆岩,出格是镁铁质岩浆岩因为经常缺乏锆石等适合测年的矿物,成为年 代学研究中的一个难点。Barfod et al. (2003)对 Gardiner、Skaergaard 和 Khibina 三个侵入体岩石中的磷灰石、同性石、榍石和全岩进行了 Lu-Hf 同位素测定,所 获得的等时线Ma(采用的 176Lu 衰变为 1.869× 10-11) 。 之后,Larsson and Soderlund (2005)对南部含 Fe-Ti 矿化的镁铁质堆晶岩进行了测定,其磷灰石、斜长石和全岩形成一条 1204.3± 1.8Ma 的 Lu-Hf 等时线,这一春秋也取用其它方式获得的春秋分歧。 3. 岩石圈地幔的 Lu-Hf 同位素定年 岩石圈地幔的定年一曲是固体地球科学研究的难点,一方面是贫乏常见的定 年矿物,其二是地幔的温度高,凡是的同位素系统正在地幔中不克不及封锁。此外,岩 石圈地幔正在构成后大多履历事后期交接感化。因而,保守的 Sr-Nd-Pb 等同位素 大多采用 Re-Os 法来对此春秋加以限制,但 Re 的勾当性质使获得春秋的注释复 杂化。因而,近几年来,学者都正在勤奋摸索 Lu-Hf 法对岩石圈地幔定年的可 行性。从理论上来说,Lu-Hf 同位素系统具有较高的封锁温度,并有可能正在岩石 圈地幔构成后一曲连结封锁,从而能够给出可托的春秋。 四、Hf 同位素正在地质学中的使用 1.Hf 同位素示踪的根基道理 Lu 取 Hf 均为难溶的中等—强不相容性亲石元素, 这一点取 Sm-Nd 系统有很 大的雷同性。因而,Hf 同位素示踪的根基道理取 Nd 同位素不异。 1.1Hf 同位素研究中的相关公式 ? Hf (0) ? ((176 Hf /177 Hf ) S / (176 Hf /177 Hf )CHUR ,0 ? 1) ?10000 ? Hf (t ) ? ((176 Hf /177 Hf ) S ? (176 Lu /177 Hf ) S ? (e?t ? 1)) / THf 1 ? 1/ ? ? ln ? ?1 ? (( Hf / 176 177 176 ?? 176 Hf /177 Hf ? CHUR ,0 176 ? ? 176 Lu /177 Hf 177 176 ? CHUR 177 ? ? e ?t ? 1? ? 1) ?10000 Hf ) DM ) ? ? ? Hf ) S ? ( Hf / 177 Hf ) DM / (( Lu / Hf ) S ? ( Lu / THf 2 ? THf 1 ? (THf 1 ? t )(( f cc ? f s ) / ( f cc ? f DM )) f Lu / Hf ? (176 Lu /177 Hf ) S / (176 Lu /177 Hf )CHUR ? 1 此中,(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=0.28325。 fcc ,fs, fDM 别离为地壳、样品和吃亏地幔的 fLu/Hf。T 为样品构成时间, λ=1.867×10-11year-1。 1.2Nd-Hf 同位素的相关性息争耦 Sm-Nd、 Lu-Hf 系统的类似性导致 Nd 取 Hf 同位素间呈现正相关 (Vervoort and Patchett,1996) , 并提出 εHf(t)≈2εNd(t)的关系式。但这两个系统仍存正在必然的不同: (1) 正在部门熔融过程中, Lu/Hf 元素的比值变化范畴要大于 Sm/Nd 的变化范畴。 同时,176Lu 的半衰期(36Ga)要比 147Sm 的半衰期(108Ga)差不多要短三倍, 从而呈现正在不异的时间内, 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 系统还可顺应于年轻系统的研究; (2)正在风化感化过 程中,分歧产品的 Sm/Nd 比值不会发生很大的变化;但对 Lu-Hf 系统,环境变 得分歧。由于,Hf 次要取 Zr 连系而赋存正在锆石中,正在岩石风化过程中,锆石从 要正在粗粒的碎屑堆积物中富集;而细粒的堆积物,如粘土,其锆石的含量很少。 因而,分歧风化程度岩石的 Lu/Hf 比值有很大的变化范畴,这一现象又称“锆石 效应”(zircon effect, Patchett et al.,1984)。 可是 Vervoort el al.(1999)对 100 余个堆积 岩样品的测定发觉,所谓的锆石效应并不较着。 (3)虽然 Hf、Nd 同位素存正在一 定的正相关性, 但取 Sm-Nd 系统中 Sm 的 Nd 同属稀土元素的特点分歧的是, Lu 属稀土元素, 而 Hf 属高场强元素, 因此 Lu 和 Hf 的地球化学性质存正在显著差别。 如许正在岩石变质和岩浆感化过程中,有可能 εHf 和 εNd 之间并不存正在料想的线性 关系,即存正在 Nd-Hf 同位素的解耦。 图 3 下地壳麻粒岩的 Nd-Hf 同位素变异图 可是,虽然局部地域存正在 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很是清晰(图 3) ,表白正在宏不雅标准上,石榴石可能并未 进入熔体相, 或者鄙人部地壳中,石榴石呈现的时间较短而不脚以发生放射性成 因 Hf 的堆集。 表 1 主要地球化学储源库现今 Hf 同位素构成 储源库名称 球粒 吃亏地幔 下地壳(镁铁质) 176 Lu/177Hf 176 Hf/177Hf fLu/Hf 0.00 0.16 -0.34 0.0332± 2 0.0384 0.022 0.282772± 29 0.28325 上地壳(长英质) 平均地壳 0.0093 0.015 -0.72 -0.55 1.3 主要地球化学储源库的 Hf 同位素构成 表 1 列出了目前相对确定的球粒和吃亏地幔的 Hf 同位素构成,对分歧 类型富集地幔及地壳等的 Hf 同位素构成目前还缺乏应有的研究。 1.4 锆石 Hf 同位素示踪 正在 Hf 同位素示踪研究中,锆石是一个很是主要的矿物。因为该矿物具有较 高的 Hf 含量, 但 Lu 的含量又极低, 从而导致其 176Lu/177Hf 具有很是低的比值。 因而, 锆石正在构成后根基没有较着的放射性成因 Hf 的堆集, 所测定的 176Hf/177Hf 比值根基代表了其构成时系统的 Hf 同位素构成。 使用锆石 Hf 同位素示踪地质演化具有一系列的优越性。起首,锆石正在大多 数岩石中都存正在,并且极抗风化;其二,锆石具有很高的 Hf 同位素系统封锁温 度;第三,锆石具有较高的 Hf 含量和极低的 Lu/Hf 比值,因此由年代不确定性 惹起的 176Hf/177Hf 比值误差无限;第四,和 Nd 同位素分歧,一个岩石若由多种 组份形成,则我们能够通过获得多组锆石来认识它的演化,而对于该岩石,我们 获得的同 Nd 同位素数据只要一个。 1.5Hf 同位素模式春秋的注释 就锆石的 Hf 同位素示踪而言,金亚洲登陆,我们正在大大都环境下还招考虑其两阶段的模 式春秋,根基道理如图 4 所示。 图 4 单阶段取两阶段 Hf 模式春秋计较示企图 假设 2.5Ga 时吃亏地幔熔融构成玄武质下地壳岩石(地壳构成事务,模式年 龄的涵义) ,而该岩石正在 1.0Ga 时发生再熔融构成花岗岩(地壳物质再轮回) 。如 果所构成的花岗岩具有其源岩的 Lu/Hf 比值,它演化至现正在的 Hf 同位素构成为 A 点。如许按照测定获得的 176Lu/177Hf 和 176Hf/177Hf 数据,我们可获得该岩石的 Hf 模式春秋为 2.5Ga。但对 1.0Ga 构成的花岗岩中的锆石而言,它演化至现正在的 Hf 同位素构成为 B 点;按照测定获得的 176Lu/177Hf 和 176Hf/177Hf 数据所获得的 Hf 模式春秋为 TDM1,该值较着小于其线Ga) 。这时,我们只 有利用两阶段模式春秋(TDM2)方式才能获得其实正的壳幔分异感化的时代。显 然, 若是锆石的春秋越年轻, 所获得的单阶段模式春秋取实正模式春秋的差值就 越大。 无论采用单阶段仍是两阶段模式,我们都必需留意因为分歧地域吃亏地幔的 不均一性而带来的 Hf 模式春秋的误差。同时,我们强调,Hf 的模式春秋决不等 于其构成春秋。对于地幔来历的玄武质岩石而言,若是 Hf 模式春秋取其构成年 龄附近,这表白该玄武质岩石来历于吃亏地幔。若是 Hf 模式春秋大于其构成年 龄,则表白其岩浆源区遭到过地壳物质的混染或来自于富集性地幔。但若 Hf 模 式春秋正在误差范畴内小于其构成春秋, 则大大都环境下招考虑数据的靠得住性或者 Nd-Hf 同位素的解耦。对花岗质岩石而言,因为它次要来历于地壳岩石的部门熔 融,所以其 Hf 模式春秋要弘远于其构成春秋。但若 Hf 模式春秋取其构成春秋 附近,则表白其地壳源区是重生的。比力复杂的是,若是岩石或其源区是由多种 组分构成的,或者锆石来历于多种组分夹杂而成的岩浆结晶的,则 Hf 同位素模 式春秋的意义难以会商。 五、结语 以上对 Lu-Hf 同位素的阐发方式笔根基道理做了简单的引见,能够看出,该 同位素系统正在岩浆岩、堆积岩和变质岩中都具有普遍的使用前景。因为 Lu-Hf 同位素系统具有比其它同位素系统较高的封锁温度,因而具有更高的精度,特别 是对石榴子石的定年有更好的使用前景。而操纵 Hf 同位素进行示踪也将正在地质 学界,出格是岩石学界获得更普遍的使用。 【参考文献】 [1]吴福元,李献华,郑永飞,高山。Lu-Hf 同位素系统及其岩石学使用,岩石学 报,2007,23(2):191-197 [2]袁洪林,高山,罗彦,春蕾。Lu-Hf 年代学研究——以大别榴辉岩为例,岩 石学报,2007,23(2):237-238 [3]曹达迪,程昊。石榴子石 Lu-Hf 年代学研究进展,地球化学,2014,43(2): 183-187 [4]第五春荣,孙怯,王倩。华北克拉通地壳发展和演化:来自现代河道碎屑锆 石 Hf 同位素构成的,岩石学报,28(1):3521-3530

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