同位素地球化學(xué)5

1、第四章第四章Sm-Nd法法4.1 Sm-Nd等時(shí)線 Sm是具有七個(gè)天然同位素的稀土元素。其中147Sm、148Sm和149Sm都是放射性的，但后兩個(gè)其半衰期(大約1016a)是如此之長以致即使在宇宙學(xué)的時(shí)間間隔上(1010a)都不能產(chǎn)生144Nd和145Nd子體同位素可測量的變化。然而，147Sm的半衰期(106Ga)足夠短可產(chǎn)生小的但在幾百萬年期間在143Nd豐度上可測量的差別。因此，提供了Sm-Nd測年法的基礎(chǔ)。此半衰期，等同于衰變常數(shù)為6.5410-12a-1，是幾個(gè)測定的加權(quán)平均，并得到與U-Pb定年一致的年齡(Lugmair和Marti，1978)?？紤]一假定系統(tǒng)，如火成巖或礦物，我

2、們可依據(jù)147Sm的衰變寫出下列方程：) 1(147143143tIeSmNdNd這里I指初始豐度，t為系統(tǒng)的年齡?？紤]到142Nd變化的可能性(由146Sm衰變)，為方便取見全部除以144Nd(Nd的次豐富同位素)。因此，得到：1144147144143144143tIeNdSmNdNdNdNd該方程具有類似于Rb-Sr法的形式，可作等時(shí)線圖。然而要注意的是，由于Sm和Nd非常類似的化學(xué)性質(zhì)(不象Rb和Sr)，天然巖石中很少有大的Sm/Nd變化范圍，尤其是接近y軸低Sm/Nd比值的非常少。由于從單一巖體獲得Sm/Nd比值寬變化范圍的困難性及Nd同位素分析更大的技術(shù)要求，Sm-Nd等時(shí)線法一般

3、應(yīng)用于簡單Rb-Sr法不合適的問題。最多的情況是用于某種程度上被變質(zhì)作用擾動(dòng)的巖石。一、隕石球粒隕石易于用Rb-Sr法測年，但無球粒隕石用Rb-Sr法就更成問題。總樣通常具低的Rb/Sr比值，產(chǎn)生精度差的年齡，而由許多無球粒隕石分離的礦物給出的年齡低于4.5Ga，表明了擾動(dòng)的存在。從無球粒隕石中所分離的單礦物Sm-Nd系統(tǒng)更耐再起動(dòng)，給出更好的年齡估計(jì)。Notsu等(1973)對(duì)Juvinas無球粒隕石完成了第一個(gè)Sm-Nd測年研究，但分析精度低。Lugmair等(1975)從相同的隕石礦物獲得了精確得多的結(jié)果(圖1)，得到年齡為456080Ma(2)。隨后，對(duì)眾多的其它無球粒隕石進(jìn)行了年齡測

4、定，除Stannern例外(Lugmair和Scheinin，1975)，所有其它的年齡都在4500-4600Ma的范圍內(nèi)，與U-Pb法良好吻合。 因?yàn)槠渌椒ǖ某晒?，球粒隕石的Sm-Nd定年并不是最先進(jìn)行的。然而，球粒隕石的同位素組成對(duì)于象地球這樣的太陽系天體的演化是關(guān)鍵基準(zhǔn)。因?yàn)檎J(rèn)為球粒隕石最接近代表著原始太陽星云。DePaolo和Wasserburg(1976a)對(duì)此基準(zhǔn)創(chuàng)造了CHUR(球粒隕石均一源)，缺少球粒隕石的同位素?cái)?shù)據(jù)，還得使用Lugmair的(1975)從Juvinas無球粒隕石得到的0.511836的143Nd/144Nd比值來指示現(xiàn)今CHUR值(Nd分析以氧化物形式，分餾

5、標(biāo)準(zhǔn)化校正到146Nd/142Nd=0.636151)。 該值由Jacobsen和Wasserburg(1980)對(duì)球粒隕石的直接Sm-Nd分析得到證明。他們獲得的全巖等時(shí)線年齡為大約4.6Ga，初始比值為0.505831(圖2)。數(shù)據(jù)點(diǎn)圍繞原始0.511836值的Juvinas緊密成簇。該值與回歸等時(shí)線的交點(diǎn)導(dǎo)出CHUR的147Sm/144Nd為0.1967。Jacobsen和Wasserburg將此值與64個(gè)球粒隕石元素分析的平均Sm./Nd比值(圖3)對(duì)比，表明了兩者吻合很好。圖1 Juvinas玄武質(zhì)無球粒隕石全巖及由其分離出的單礦物的Sm-Nd等時(shí)線圖2 六個(gè)不同球粒隕石全巖樣品的S

6、m-Nd等時(shí)線圖圖3 元素分析測定的球粒隕石147Sm/144Nd比值的直方圖 1981年Wasserburg等修改了他們的氧化物校正的同位素成分并修改他們推薦的CHUR143Nd/144Nd值為0.511847。然而，大多數(shù)研究者使用由ONnions等提出的以金屬形式的Nd分析的另外一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化公認(rèn)值(146Nd/144Nd=0.7219)。這就導(dǎo)出了相應(yīng)于現(xiàn)今的143Nd/144Nd=0.512638和147Sm/144Nd=0.1966(Hamilton等，1983)。二、低級(jí)變質(zhì)火成巖 147Sm的長壽命使其在前寒武紀(jì)的測年中最有用。因此，最早的Sm-Nd研究集中于太古代火成巖的結(jié)晶年齡

7、測定。在這些巖套中，Rb-Sr或K-Ar法由于隨后的變質(zhì)作用過程中母體或子體元素的重活化常常得不到精確的結(jié)晶年齡。Stillwater雜巖提供了此應(yīng)用的良好實(shí)例(DePaolo和Wasserburg，1979)。 Stillwater層狀序列單個(gè)堆積(adcumulus)單元中分離的三個(gè)單礦物的Rb-Sr數(shù)據(jù)形成不能構(gòu)成等時(shí)線的離散分布(圖4a)。然而，相同樣品的Sm-Nd數(shù)據(jù)則得到一條很好的線性分布(圖4b)，從該線DePaolo和Wasserburg計(jì)算出的年齡為27018Ma(2)。為了證明Sm和Nd可能的礦物重啟動(dòng)，DePaolo和Wasserburg也分析了該深成巖具有不同斜長石/輝

8、石比的不同層位的6個(gè)全巖樣品。圖4 Stillwater雜巖的等時(shí)線圖，左1為礦物數(shù)據(jù)離散的Rb-Sr圖；中間為礦物Sm-Nd等時(shí)線；右邊為全巖數(shù)據(jù)與礦物參考等時(shí)線這些樣品的Sm-Nd數(shù)據(jù)都落在礦物等時(shí)線分析誤差的范圍內(nèi)(圖4c)，表明了礦物等時(shí)線代表了侵入巖的真實(shí)結(jié)晶年齡，巖漿具有均一的初始Nd同位素成分。 后來，此Sm-Nd礦物年齡得到了來自此侵入巖淬火邊中的鋯石U-Pb定年的證實(shí)，其年齡為27133Ma(2)。然而，該深成巖更廣泛層位范圍的全巖Sm-Nd分析表明了更寬的初始比值變化(Lambert等，1989)。這并不奇怪，因?yàn)镈ePaolo和Wasserburg的初始比值遠(yuǎn)離估計(jì)的2.

9、7Ga時(shí)的地幔值，且最好由來自懷俄明克拉通的古老地殼Nd與巖漿的混染加以解釋。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了礦物與全巖等時(shí)線結(jié)合的重要性來證明Sm/Nd年齡精確性。然而，該方法對(duì)細(xì)粒巖石如太古代玄武巖和科馬提巖是不可能的。在這些情況下，常常單獨(dú)使用全巖分析，但地殼混染中對(duì)全巖等時(shí)線斜率的細(xì)微影響可由具有輕微變化的分析樣品引起。西澳大利亞的Kambalda火山巖提供了好的例證。 McCulloch和Compston(1981)對(duì)一套由含礦的Kambalda超鎂鐵質(zhì)單元、底盤和上盤玄武巖圍巖和與之相組合的鈉質(zhì)花崗巖及長英質(zhì)斑巖測定了一條復(fù)合Sm-Nd等時(shí)線。盡管全套巖石得到了279030Ma的很好等時(shí)線年齡(圖5

10、)，但是玄武質(zhì)和超鎂鐵質(zhì)樣品單獨(dú)給出2910170Ma的更老的最佳擬合年齡。 Claoue-Long等(1984)指出可能不是同源巖漿的酸性、基性、超基性巖石構(gòu)造的復(fù)合Sm-Nd等時(shí)線的危險(xiǎn)性。這些研究者試圖不用酸性巖石，用Sm-Nd法測定Kambalda熔巖的年齡。然而，他們?yōu)榱双@得Sm/Nd比值的良好分布被迫將科馬提巖與玄武巖的分析相結(jié)合(圖6)。在從Kambalda排除了一個(gè)科馬提巖點(diǎn)與來自Bluebush的一套玄武巖熔巖(Kambalda主序列以南40公里)后，10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)給出326244Ma(2)的等時(shí)線年齡。Claoue-Long等將此解釋為噴發(fā)年齡。 Chauvel等(1985)

11、根據(jù)Kambalda火山巖和與之相組合的火成硫化物礦化的Pb-Pb定年得到的272634Ma年齡，他們認(rèn)為該系統(tǒng)抗后期事件的重起動(dòng)，對(duì)上述解釋提出了質(zhì)疑。他們將3.2Ga的表面Sm-Nd年齡歸結(jié)為或者由古老基底對(duì)巖漿巖套不同程度的地殼混染或者是幔源的不均一性造成的。一個(gè)上盤玄武巖圍巖中3.4Ga老的鋯石巨晶的U-Pb定年隨后證明了該混染模式(Compston等，1985)。 回過頭來，危險(xiǎn)信號(hào)在全巖Sm-Nd數(shù)據(jù)中也能見到。單獨(dú)考慮科馬提巖(包括Claoue-Long等剔除的樣品)形成一條小于3.2Ga的斜率，象Bluebush熔巖一樣(圖6)。只有上盤玄武巖圍巖形成3.2Ga的斜率，但這些可

12、能遭受過最強(qiáng)烈的混染。因此，這些數(shù)據(jù)可能由一系列具大約2.7Ga斜率的近平行等時(shí)線構(gòu)成。三、高級(jí)變質(zhì)巖 Sm-Nd法經(jīng)常用于測定其它系統(tǒng)已重新起動(dòng)的高級(jí)變質(zhì)基底的火成原巖的年齡。對(duì)蘇格蘭西北Lewisian片麻巖的測年工作提供了一個(gè)實(shí)例。對(duì)麻粒巖相和角閃巖相片麻巖的全巖Rb-Sr、全巖Pb-Pb及鋯石U-Pb年齡都分別為2630140、268060、266020Ma(2)(Moorbath等，1975；Chapman和Moorbath1，1977；Pidgeon和Bowes，1972)。然而，這些片麻巖總體上非常虧損Rb和U，表明即使大的全巖樣品在虧損事件期間對(duì)這些元素也可能是開放的。圖5 西

13、澳大利亞Kambalda一套太古代酸性-基性巖石復(fù)合的Sm-Nd等時(shí)線圖圖6 Kambalda火山巖全巖樣品的Sm-Nd等時(shí)線圖 用Sm-Nd法測定的一套全巖樣品(Hamilton等，1979)來看究竟該系統(tǒng)在其它系統(tǒng)測得的Badcallian變質(zhì)事件過程中是否保持未受擾動(dòng)。更老的292050Ma(2)表明在麻粒巖相變質(zhì)作用期間該片麻巖對(duì)Sm-Nd保持封閉系統(tǒng)(圖7)。Hamilton等因此將此年齡解釋為原巖形成年齡，發(fā)生于鋯石U-Pb、全巖Rb-Sr與Pb-Pb系統(tǒng)變質(zhì)作用峰期之后封閉之前平均200至300Ma之間。 該等時(shí)線采樣的兩個(gè)問題是它將角閃巖相與麻粒巖相片麻巖結(jié)合在一起及也采了Dr

14、umbeg層狀雜巖中英云閃長質(zhì)片麻巖和基性巖的雙峰式巖套。然而，由于兩巖套的斜率年齡非常類似，總體上這些樣品表現(xiàn)出僅1.3 的MSWD(使用Sm/Nd比值0.1%的1誤差與單個(gè)內(nèi)部分析同位素誤差)。 Whitehouse (1988)更詳細(xì)的調(diào)查表明Drumbeg層狀基性巖石保持2.91Ga的等時(shí)年齡，但中性到酸性巖石的Sm-Nd全巖系統(tǒng)已重新啟動(dòng)具有與鋯石U-Pb和其它全巖系統(tǒng)相同的年齡。中酸性巖套的10個(gè)樣品給出具M(jìn)SWD=5.7的誤差等時(shí)線，年齡(用地質(zhì)誤差估計(jì))為2600155Ma(2)，如圖8所示。因此，Hamilton等(1979)的等時(shí)線表面上確實(shí)正確測定了原巖形成的年齡，但僅僅

15、是在Badcallian事件中保持封閉的基性巖。然而，中性片麻巖的Sm-Nd模式年齡僅由變質(zhì)作用輕微擾動(dòng)，并且與Drumbeg深成巖的等時(shí)年齡相吻合。四、高級(jí)變質(zhì)礦物 Sm-Nd等時(shí)線法的另一個(gè)廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域是高級(jí)變質(zhì)礦物的定年。不象全巖系統(tǒng)，礦物等時(shí)線所具有優(yōu)越性是其分配系數(shù)上的變化引起中等程度的Sm/Nd比值變化，因此可精確測定年齡。例如，石榴石與單斜輝石(cpx)具REE的鏡象分配系數(shù)，因此可產(chǎn)生大的Sm/Nd比值范圍。石榴石-單斜輝石巖的經(jīng)典實(shí)例是榴輝巖，因此這也一直是Sm-Nd礦物定年的焦點(diǎn)。然而，REE的相對(duì)不活動(dòng)性(在測定火成巖結(jié)晶年齡時(shí)是這樣估計(jì)的)是使用Sm-Nd法測定變質(zhì)作

16、用的一個(gè)問題。礦物系統(tǒng)可充分開放以破壞原始的火成巖化學(xué)，但又并不能夠完成重組系統(tǒng)。Mork和Mearns(1986)提供了加里東期麻粒巖測年的實(shí)例。已轉(zhuǎn)換成榴輝巖礦物(石榴石和綠輝石)的挪威西部的輝長巖，但保持火成巖的殘留結(jié)構(gòu)，在加里東期的變質(zhì)作用中沒有達(dá)到同位素平衡。相反的是，已轉(zhuǎn)化成榴輝巖的附近圍巖得到的礦物等時(shí)線具非常低的離散度(MSWD=0.1)和40016Ma的典型加里東期變質(zhì)年齡。兩種榴輝巖反的行為不可能是P、T條件的變化，圖8 Lewisian英云閃長質(zhì)片麻巖的Sm-Nd“錯(cuò)誤等時(shí)線”，年齡為2600Ma因?yàn)樗鼈兿嗷ピ?km的范圍內(nèi)。然而，榴輝巖圍巖由于滲透變形與重結(jié)晶作用完全丟

17、失了以前的結(jié)構(gòu)。Mork和Mearns認(rèn)為為了達(dá)到礦物相間完全的釹同位素平衡必須達(dá)到這樣的物理破壞。 檢查400Ma時(shí)變輝長巖的Sm-Nd數(shù)據(jù)(圖9)表明該巖石中同位素均一化的主要障礙是單斜輝石相。因?yàn)槠胀ㄝx石向綠輝石的轉(zhuǎn)換要求相當(dāng)少量的陽離子交換，在該礦物中Sm-Nd系統(tǒng)的完全重新啟動(dòng)幾乎沒有見到。相反，石榴石取代斜長石必須要有主要的化學(xué)交換和結(jié)構(gòu)重組，因此完全的重啟動(dòng)更為可能。因此，石榴石-全巖等時(shí)線比早期榴輝巖測年研究中使用的石榴石-單斜輝石對(duì)更可靠。 Vance和ONion(1990)認(rèn)為石榴石年代學(xué)與其它方法(如Ar-Ar和Rb-Sr，測定變質(zhì)冷卻相比)對(duì)定年前進(jìn)變質(zhì)作用提供了有力的

18、工具。石榴石廣泛分布于變泥質(zhì)巖石中，且響應(yīng)前進(jìn)變質(zhì)作用的P、T條件的變化而發(fā)展。它們的化學(xué)(包括Sm-Nd系統(tǒng))通常在冷卻的過程中被保留下來，因?yàn)槭褡邮嘘栯x子擴(kuò)散速率非常慢。石榴子石的化學(xué)成分可用來計(jì)算它們生長的P、T條件，與年齡數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)高級(jí)變質(zhì)地體提供了測定前進(jìn)變質(zhì)P、T-時(shí)間路徑的方法。Burton和ONion(1991)在挪威北部Sulitjilma元古代表殼巖系的加里東期區(qū)域變質(zhì)作用研究中說明了該技術(shù)的應(yīng)用。圖9 輝長巖被榴輝巖交代過程中Sm-Nd再活化的示意圖 Burton和ONions使用Sm-Nd和U-Pb等時(shí)線法測定了與含石墨和無石墨帶相鄰的石榴石增長的年齡。如圖10

19、所示的一個(gè)例子，其石榴子石邊部與核部是截然不同的。象預(yù)期的那樣，邊部給出稍年輕的年齡。注意到核部與全巖成分回歸，而邊部僅與基質(zhì)成分回歸，因?yàn)檫@是巖石中唯一部分在它們生長時(shí)邊部以擴(kuò)散接觸的形式。 Sm-Nd和U-Pb技術(shù)的一致結(jié)果為石榴子石-基質(zhì)對(duì)的年齡確定了進(jìn)變質(zhì)礦物增長年齡的強(qiáng)有力證據(jù)。當(dāng)這與溫度數(shù)據(jù)配對(duì)(圖11)，它便指示石榴石增長首先出現(xiàn)于含石墨組合中，隨后在更高的溫度下出現(xiàn)于無石墨組合中。由后者組合中的石榴子石邊緣記錄了峰值變質(zhì)條件。因此，計(jì)算出的平均增熱率為9/Ma。另一方面，白云母和黑云母的Rb-Sr礦物年齡被用來推斷冷卻速率，為4/Ma(圖11)。圖10 無石墨變泥質(zhì)巖成對(duì)的基質(zhì)

20、-石榴石邊緣、全巖-石榴石核的Sm-Nd等時(shí)線圖11 挪威北部Sulitjilma表殼巖溫度-時(shí)間圖前進(jìn)變質(zhì)加熱速率來自石榴石的Sm-Nd 年齡（空心三角）和U-Pb年齡（實(shí)心方塊）；退變質(zhì)冷卻速率來自Rb-Sr年齡（實(shí)心圓）4.2 同位素演化與模式年齡 DePaolo和Wasserburg(1976a)對(duì)地球火成巖作了第一次Nd同位素測定。當(dāng)他們將這些巖石的年齡與初始比值在Nd同位素隨時(shí)間演化的圖上投點(diǎn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)太古代火成巖所具的初始比值與隕石預(yù)測的球粒隕石均一源(CHUR)的演化顯著一致(圖12)。CHUR演化路徑通常以直線畫出，但是事實(shí)上由于147Sm的有限半衰期(大約106Ga)，它

21、是一條非常緩的曲線。 由于Sm和Nd是稀土元素(REE)原子序數(shù)上僅差2，它們的化學(xué)性質(zhì)非常類似，在晶-液過程中僅經(jīng)歷輕微的相對(duì)分餾。這意味著在地球巖石中，143Nd/144Nd比值偏離CHUR演化線相對(duì)于該曲線的陡度是小的(圖12)。DePaolo和Wasserburg因此提出了一種表示法，初始比值可以相對(duì)于CHUR演化線的萬分偏差來表示，稱之為單位(Nd)。數(shù)學(xué)上，該表示法定義為：圖12 143Nd/144Nd對(duì)時(shí)間圖表示了地球巖石的早期初始Nd同位素比值對(duì)球粒隕石增長線的緊密對(duì)應(yīng)性O(shè)GG：西格陵蘭Amitsoq片麻巖，RN3：加拿大Preissac-Lacorne巖基，RHO：津巴不韋（

22、羅得西亞），BCR-1：美國哥倫比亞河玄武巖4144143144143101)(/)(/)(tNdNdtNdNdtCHURsampleNd這里t指的是計(jì)算Nd時(shí)的時(shí)間。表示法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是將所有的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化至CHUR，它去掉了對(duì)Nd分析是利用金屬還是氧化物的不同分餾校正的影響。一、球粒隕石模式年齡 DePaolo和Wasserburg認(rèn)為如果球粒隕石均一源(CHUR)的演化線定義了大陸火成巖全部時(shí)間的初始比值，那么任何地殼巖石的143Nd/144Nd和147Sm/144Nd的測定將給出該巖石(或其前身)從球粒隕石源形成的模式年齡。如果在地殼從地幔抽提過程中存在充分的Nd/Sm分餾而給出地殼和地

23、幔演化線的合理分開，將確實(shí)是這樣(圖13)，并且因此具精確的交點(diǎn)。模式年齡由下式給出：圖13 Nd同位素隨時(shí)間演化圖圖示模式年齡的理論Tmet=變質(zhì)事件年齡； Tsed=侵蝕-沉積事件年齡；f=樣品Sm/Nd相對(duì)于全球的分餾01441470144147014414301441431ln1CHURsampleCHURsampleCHURNdSmNdSmNdNdNdNdT DePaolo和Wasserburg認(rèn)為如果樣品的Sm/Nd比值自從其從球粒隕石源(當(dāng)作地幔源)分離以來沒有受到擾動(dòng)，那么TCHUR可提供各種巖石的地殼形成年齡。許多元素研究已經(jīng)指出與沉積巖形成有關(guān)的風(fēng)化和低溫變質(zhì)作用過程及甚至高級(jí)變質(zhì)作用過程中在全巖尺度上REE相對(duì)不活潑。這種不活動(dòng)性圖示表示就是在變質(zhì)和沉積事件中在圖13上地殼樣品的演化線不會(huì)偏轉(zhuǎn)。 McCulloch和W