Lu-Hf同位素體系分析

1、Lu-Hf同位素體系簡介一、Lu-Hf同位素錯是一種稀土元素，錯在沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖中的分布相當廣泛，但含 量很低。自然界中錯的重要載體礦物是磷灰石、楣石、結(jié)石、石榴石、黑云母及 某些稀土礦物(如獨居石、黑稀金礦、鑰億礦、褐簾石和硅鍍億礦等) 。錯有兩個天然同位素：175Lu和176Lu。它們的相對豐度分別為97.39%和2.61%。176Lu為放射性同位素，通過 歹衰變形成更穩(wěn)定的176Hf0錯是一種分散元素，其化學性質(zhì)和離子半徑與結(jié)石非常相似，因而常以類質(zhì) 同像替換結(jié)的方式進入許多礦物的晶體結(jié)構(gòu)，其中以結(jié)石中鉛的含量最高。錯有6個同位素：174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,

2、179Hf,180Hf,它們的相對豐度分別為：0.20%, 5.2%, 18.6%, 27.1%, 13.7%, 35.2%。其中 174Hf 是放射性同位素，它 通過a衰變形成穩(wěn)定的170Yb o二、Lu-Hf法定年基本原理：173Lu 176 HfE含錯巖石或礦物的年齡可根據(jù)下式計算：173 Hf /177 Hf (176Hf /177 Hf )i 176 Lu/177 Hf (e t 1)176Lu的衰變常數(shù) 入=1.94 ± 0.07 X 10-11a寸干滿足等時線年齡測定的一組樣 品，可采用與Sm-Nd和Rb-Sr法相似的等時線方法來測定樣品的Lu-Hf等時線年齡。適合于L

3、u-Hf同位素年齡測定的常見礦物為磷灰石、石榴石和獨居石。結(jié)石 的錯含量雖高達24X 16,但因其鉛含量太高；硅鍍億礦雖具有很高的錯含量， 但因其極少見，因而這兩個礦物通常不適合用于 Lu-Hf年齡的測定對象。三、Lu-Hf法定年實例1 .含石榴石變質(zhì)巖的Lu-Hf同位素定年石榴石是結(jié)晶巖，特別是變質(zhì)巖中一中非常常見的礦物。石榴石具有較高的Hf封閉溫度和其中大多數(shù)包裹體礦物較低的Hf含量使Lu-Hf法比Sm-Nd和Pb-Pb法有更優(yōu)越的特點。1.1 石榴子石Lu-Hf封閉溫度對封閉溫度的解讀是詮釋放射性同位素年齡代表礦物生長 /結(jié)晶年齡或冷卻 年齡的重要前提。放射性同位素母子體在特定礦物中的封

4、閉溫度與其活化能、 元 素擴散系數(shù)、巖石冷卻速率以及礦物顆粒大小和開頭等因素密切相關(guān)。 目前一般 認為石榴子石Lu-Hf體系封閉溫度高于700C ,高于或者等于同等條件下石榴子 石Sm-Nd體系的封閉溫度。1.2 包裹體的影響變質(zhì)巖中石榴子石中常見大量的固相包裹體，例如單斜輝石、角閃石、綠泥 石、云母、結(jié)石、磷灰石、金紅石和楣石等。這些常見包裹體礦物中，富集Lu元 素的磷灰石和含大量Hf的結(jié)石和金紅石包裹體對石榴子石 Lu-Hf定年的影響不 容忽視(圖1),其他常見礦物包裹體對石榴子石 Lu-Hf體系的影響則非常有限。圖1鉆石對于石榴子石 Lu-Hf等時線影響示意圖1.3 以大別榴輝巖為例的L

5、u-Hf年代學圖2大別榴輝巖樣品SH02的石榴子石一全巖176Lu/177Hf-176Hf/177Hf等時線圖石榴子石一全巖的等時線圖見圖2。全巖與石榴子石的176Lu/177Hf比值范圍 為0.010.05,得到的等時線年齡為254土 16Ma,初始176Hf/177Hf比值為 0.282121 ±0.000010MSWD=0.35,對應(yīng)的 Hf (254Ma) =-16.6。石榴子石Lu-Hf定年方法由于石榴子石生長的復(fù)雜性，需要考慮多種因素對Lu-Hf年齡結(jié)果的影響，才能賦予年齡正確的地質(zhì)意義。2 .含磷灰石巖石的Lu-Hf同位素定年磷灰石是另一個Lu/Hf比值較高的礦物，由于

6、該礦物不僅產(chǎn)于通常的巖漿巖 和變質(zhì)巖中，在沉積巖中也經(jīng)常出現(xiàn)，因而也是進行沉積作用定年代的重要對象。巖漿巖，特別是鎂鐵質(zhì)巖漿巖由于經(jīng)常缺乏結(jié)石等適合測年的礦物，成為年代學研究中的一個難點。Barfod et al. (2003對 Gardiner、Skaergaard和 Khibina 三 個侵入體巖石中的磷灰石、異性石、楣石和全巖進行了 Lu-Hf同位素測定，所獲 得的等時線年齡分別為53.53 ±0.5360.18 ±0.45口 402.4 ±2.8Ma采用的176Lu衰 變常數(shù)為 1.869 x 1-01)。之后，Larsson and Soderlund

7、(200期瑞典南部含 Fe-Ti 礦 化的鎂鐵質(zhì)堆晶巖進行了測定，其磷灰石、斜長石和全巖構(gòu)成一條1204.3 ±1.8Ma 的Lu-Hf等時線，這一年齡也與用其它方法獲得的年齡一致。3 .巖石圈地幔的Lu-Hf同位素定年巖石圈地幔的定年一直是固體地球科學研究的難點，一方面是缺少常見的定年礦物，其二是地幔的溫度高，通常的同位素體系在地幔中不能封閉。止匕外，巖 石圈地幔在形成后大多經(jīng)歷過后期交代作用。因此，傳統(tǒng)的 Sr-Nd-Pb等同位素 大多采用Re-Os法來對此年齡加以限定，但 Re的活動性質(zhì)使獲得年齡的解釋復(fù) 雜化。因此，近幾年來，各國學者都在努力探索Lu-Hf法對巖石圈地幔定年的

8、可 行性。從理論上來說，Lu-Hf同位素體系具有較高的封閉溫度，并有可能在巖石 圈地幔形成后一直保持封閉，從而可以給出可信的年齡。四、Hf同位素在地質(zhì)學中的應(yīng)用1 .Hf同位素示蹤的基本原理Lu與Hf均為難溶的中等一強不相容性親石元素，這一點與Sm-Nd體系有很大的類似性。因此，Hf同位素示蹤的基本原理與 Nd同位素相同。1.1 Hf同位素研究中的有關(guān)公式Hf (0) (176 Hf /177 Hf )s /(176 Hf /177 Hf )chur,0 1) 10000Hf(t) (176Hf/177Hf)S (176Lu/177 Hf )s (et 1)/ 176Hf/177Hf chur

9、。176Lu/177Hf chur et 1 1) 10000 CHUR ,0CHURTHf1 1/ ln 1 (176 Hf /177 Hf )s (176Hf/177Hf)DM /(176Lu/177Hf)s (176 Lu/177 Hf )dm )THf2 THf1 (THf1 t)(fcc fs)/(fcc fDM )fLu/Hf (176Lu/177Hf)s/(176Lu/177 Hf)CHUR 1其中，(176Lu/177Hf)s和(176Hf/177Hf)s 為樣品待測值，(176Lu/177Hf)CHUR=0.0332, (176Hf/ 177Hf)chur,0=0.28277

10、2; (176Lu/177Hf) dm=0.0384, (176Hf/177Hf) dm=0.28325o fcc, fs, fDM分別為大陸地殼、樣品和虧損地幔的fLu/Hf。T為樣品形成時間，入=1.867 /彳晌1。1.2 Nd-Hf同位素的相關(guān)性和解耦Sm-Nd、Lu-Hf體系的相似性導致 Nd與Hf同位素間呈現(xiàn)正相關(guān)（Vervoort and Patchett,1996,并提出cHf（t） =Nd（t）的關(guān)系式。但這兩個體系仍存在一定的差 別：（1）在部分熔融過程中，Lu/Hf元素的比值變化范圍要大于 Sm/Nd的變化范 圍。同時，176Lu的半衰期（36Ga）要比147sm的半衰期

11、（108Ga）差不多要短三 倍，從而出現(xiàn)在相同的時間內(nèi)，Hf同位素比值的變化要大于 Nd同位素的變化 （約兩倍關(guān)系），這也使得Lu-Hf體系還可適應(yīng)于年輕體系的研究；（2）在風化 作用過程中，不同產(chǎn)物的Sm/Nd比值不會發(fā)生很大的變化；但對 Lu-Hf體系， 情況變得不同。因為，Hf主要與Zr結(jié)合而賦存在結(jié)石中，在巖石風化過程中， 結(jié)石主要在粗粒的碎屑沉積物中富集；而細粒的沉積物，如粘土，其結(jié)石的含量很少。因此，不同風化程度巖石的Lu/Hf比值有很大的變化范圍，這一現(xiàn)象又稱 結(jié)石效應(yīng) ” （zircon effect, Patchett et al.,1984）但是 Vervoort el a

12、l.（1999）對 100 余 個沉積巖樣品的測定發(fā)現(xiàn)，所謂的結(jié)石效應(yīng)并不明顯。（3）盡管Hf、Nd同位素存在一定的正相關(guān)性，但與Sm-Nd體系中Sm的Nd同屬稀土元素的特點不同的 是，Lu屬稀土元素，而Hf屬高場強元素，因而Lu和Hf的地球化學性質(zhì)存在顯 著差異。這樣在巖石變質(zhì)和巖漿作用過程中，有可能 "和 川之間并不存在預(yù) 想的線性關(guān)系，即存在Nd-Hf同位素的解耦。*卿- :TrtTfMtnil-2U-30圖3下地殼麻粒巖的 Nd-Hf同位素變異圖但是，盡管局部地區(qū)存在Nd-Hf同位素解耦的實例，但下地殼麻粒巖 Nd-Hf 同位素間的線性關(guān)系仍非常清楚（圖3）,表明在宏觀尺度上

13、，石榴石可能并未進 入熔體相，或者在下部地殼中，石榴石出現(xiàn)的時間較短而不足以產(chǎn)生放射性成因 Hf的積累。表1重要地球化學儲源庫現(xiàn)今Hf儲源庫名稱176Lu/177Hf1765/1775f Lu/Hf球粒隕石0.0332 ±20.282772 ±290.00虧損地幔0.03840.283250.16下地殼（鎂鐵質(zhì)）0.022-0.34上地殼（長英質(zhì)）0.0093-0.72平均地殼0.015-0.551.3 重要地球化學儲源庫的Hf同位素組成表1列出了目前相對確定的球粒隕石和虧損地幔的Hf同位素組成，對不同類型富集地幔及地殼等的Hf同位素組成目前還缺乏應(yīng)有的研究。1.4 結(jié)石H

14、f同位素示蹤在Hf同位素示蹤研究中，結(jié)石是一個非常重要的礦物。由于該礦物具有較 高的Hf含量，但Lu的含量又極低，從而導致其176Lu/177Hf具有非常低的比值。 因此，結(jié)石在形成后基本沒有明顯的放射性成因Hf的積累，所測定的176Hf/177Hf比值基本代表了其形成時體系的 Hf同位素組成。運用結(jié)石Hf同位素示蹤地質(zhì)演化具有一系列的優(yōu)越性。首先，結(jié)石在大多 數(shù)巖石中都存在，而且極抗風化；具二，結(jié)石具有很高的Hf同位素體系封閉溫度；第三,結(jié)石具有較高的Hf含量和極低的Lu/Hf比值，因而由年代不確定性 引起的176Hf/177Hf比值誤差有限；第四，和Nd同位素不同，一個巖石若由多種 組份構(gòu)

15、成，則我們可以通過獲得多組結(jié)石來認識它的演化，而對于該巖石，我們獲得的同Nd同位素數(shù)據(jù)只有一個。1.5 Hf同位素模式年齡的解釋就結(jié)石的Hf同位素示蹤而言，我們在大多數(shù)情況下還應(yīng)考慮其兩階段的模 式年齡，基本原理如圖4所示。0 28300 2K25t - C.ZR2U；D加工 outia圖4單階段與兩階段 Hf模式年齡計算示意圖假設(shè)2.5Ga時虧損地幔熔融形成玄武質(zhì)下地殼巖石（地殼形成事件，模式年 齡的涵義），而該巖石在1.0Ga時發(fā)生再熔融形成花崗巖（地殼物質(zhì)再循環(huán)）。如 果所形成的花崗巖具有其源巖的 Lu/Hf比值，它演化至現(xiàn)在的Hf同位素組成為 A點。這樣根據(jù)測定獲得的176Lu/177

16、Hf和176Hf/177Hf數(shù)據(jù)，我們可獲得該巖石的 Hf模式年齡為2.5Ga。但對1.0Ga形成的花崗巖中的結(jié)石而言，它演化至現(xiàn)在的 Hf同位素組成為B點；根據(jù)測定獲得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf數(shù)據(jù)所獲得的 Hf模式年齡為Tdm1 ,該值明顯小于其真正的模式年齡（2.5Ga）。這時，我們只 有使用兩階段模式年齡（TDM2）方法才能獲得其真正的殼幔分異作用的時代。顯然，如果結(jié)石的年齡越年輕，所獲得的單階段模式年齡與真正模式年齡的差值就 越大。無論采用單階段還是兩階段模式，我們都必須注意由于不同地區(qū)虧損地幔的 不均一性而帶來的Hf模式年齡的誤差。同時，我們強調(diào)，Hf的模式年

17、齡決不等 于其形成年齡。對于地幔來源的玄武質(zhì)巖石而言，如果Hf模式年齡與其形成年齡相近，這表明該玄武質(zhì)巖石來源于虧損地幔。如果Hf模式年齡大于其形成年齡，則表明其巖漿源區(qū)受到過地殼物質(zhì)的混染或來自于富集性地幔。但若 Hf模 式年齡在誤差范圍內(nèi)小于其形成年齡，則大多數(shù)情況下應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的可靠性或者 Nd-Hf同位素的解耦。對花崗質(zhì)巖石而言，由于它主要來源于地殼巖石的部分熔 融，所以其Hf模式年齡要遠大于其形成年齡。但若Hf模式年齡與其形成年齡相 近，則表明其地殼源區(qū)是新生的。 比較復(fù)雜的是，如果巖石或其源區(qū)是由多種組 分組成的，或者結(jié)石來源于多種組分混合而成的巖漿結(jié)晶的，則 Hf同位素模式 年齡的意義難以討論。五、結(jié)語以上對Lu-Hf同位素的分析方法筆基本原理作了簡單的介紹，可以看出，該 同位素體系在巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖中都具有廣泛的應(yīng)用前景。由于Lu-Hf同 位素體系具有比其它同位素體系較高的封閉溫度，因此具有更高的精度，尤其是對石榴子石的定年有更好的應(yīng)用前景。而利用Hf同位