13第6章-同位素地球化學(xué)2

1、2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,1,第6章 同位素地球化學(xué) Part Ⅱ,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,2,6.2 放射性同位素地球化學(xué),6.2.1 放射性衰變定律及同位素地質(zhì)年代學(xué)原理6.2.2 K-Ar法及40Ar-39Ar法年齡測定6.2.3 Rb-Sr法年齡測定及Sr同位素地球化學(xué)6.2.4 Sm-Nd法年齡測定及Nd同位素地球化學(xué)6.2.5 U-Th-Pb法年齡測定及Pb同位素地球化學(xué)

2、6.2.6 同位素封閉溫度及冷卻年齡6.2.7 同位素地質(zhì)年代學(xué)地質(zhì)意義,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,3,6.2.2 K-Ar法及40Ar-39Ar法年齡測定,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,4,6.2.2.1 K-Ar法年齡測定,1. 自然界中K-Ar同位素2. K-Ar年齡測定的原理和計算公式3. 巖石和礦物中的外來Ar和Ar丟失4. K-Ar等時線年齡5. K-Ar

3、定年實(shí)例,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,5,1. 自然界中K/Ar同位素,① K的同位素組成K的3個天然同位素及其豐度：39K——93.2581%40K——0.01167%-放射性41K——6.7302%由此計算K原子量為39.0983,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,6,② Ar的同位素組成,Ar是惰性氣體元素，原子量為39.948。Ar在大氣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.93%。地球大氣Ar同

4、位素組成及豐度為：40Ar——99.60%38Ar——0.063%36Ar——0.337%大氣Ar的n（40Ar）/ n（36Ar）=295.52,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,7,2 K-Ar年齡測定的原理和計算公式,① 40K的衰變方式和衰變常數(shù)② K-Ar年齡的計算公式和應(yīng)用基本前提③ K-Ar年齡的含義④ 樣品選擇,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,8,①40K的衰變方式和衰變常數(shù),2

5、024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,9,4019K + e－→4018Ar+ν+ Q衰變常數(shù)λe表示4019K→4020Ca+β－+ν（中微子）+Q衰變常數(shù)為λβ表示總衰變常數(shù)λ= λe + λβ =5.543×10－10a－1,① 40K的衰變方式和衰變常數(shù),2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,10,② K-Ar年齡計算公

6、式和應(yīng)用前提,1）體系中氬增長公式,公式中參數(shù)含義,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,11,測試樣品需要兩份： 一份用于測定K 另一份用于測定40Ar,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,12,2）使用條件/前提,封閉體系放射性40Ar（ 40Ar* ）在體系中沒有丟失，形成時或其他地質(zhì)事件中沒有外來40Ar的加入。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,13

7、,1）Ar特性：Ar是惰性體，在礦物晶格中不與其它原子替代，在變質(zhì)、蝕變、風(fēng)化甚至是機(jī)械碎樣等都能導(dǎo)致礦物中氬的丟失。如果氬丟失將導(dǎo)致測定的年齡比實(shí)際年輕；若有過剩氬或大氣氬混入則導(dǎo)致測試年齡比實(shí)際大。,③ K-Ar年齡的含義,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,14,K-Ar法測試的年齡一般是最后一次地質(zhì)事件（變質(zhì)作用、巖漿結(jié)晶等）冷卻到氬的擴(kuò)散丟失不明顯的溫度以來所經(jīng)歷的時間。,2）K-Ar年齡含義,2024/3/2

8、0,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,15,考慮因素：晶質(zhì)結(jié)構(gòu)巖石；礦物含鉀；礦物封閉溫度（礦物結(jié)晶溫度或順序）,④ 樣品選擇,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,16,深成巖或變質(zhì)巖中依次：角閃石、黑云母、白云母、高溫堿性長石等；沉積巖：自生海綠石和伊利石；新鮮的粗面巖、玄武巖和輝綠巖也可以給出有地質(zhì)意義的年齡。如果樣品中的礦物無法分離，采用全巖，該樣品測定的年齡最不可靠。,常用的K-Ar定年礦物,2024/3/20

9、,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,17,3. 巖石和礦物中的外來40Ar和40Ar丟失,① 40Ar丟失Ar的丟失和過剩是常見的影響K-Ar體系定年的問題。其中Ar丟失是更是經(jīng)常遇到的難題。任何地質(zhì)作用和簡單的機(jī)械作用都能造成其丟失。各種礦物對Ar的保存或封閉能力是不同的，即受熱能力有差別。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,18,礦物對Ar的保存能力,角石閃對Ar的保存能力最強(qiáng)；黑云母次之；鉀長石最差。角閃石中Ar在

10、800℃不丟失，黑云母/白云母600 ℃，長石400 ℃（有效封閉溫度）。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,19,何謂40Ar過剩？可能原因：常見含過剩40Ar的礦物：堇青石、輝石、電氣石，金剛石和海底玄武巖中也發(fā)現(xiàn)有過剩氬。而角閃石、長石、金云母、黑云母和方鈉石中較少含過剩氬。,② 40Ar過剩,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,20,過剩40Ar對年齡影響：過剩氬存在會造成樣品測年偏大。過剩氬解決

11、途徑——?dú)?氬等時線法,4. 40K-40Ar等時線,體系氬增長公式：,等式左右同除以36Ar得：,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,22,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,23,一組樣品可以求出斜率b 由b可以求出樣品的形成年齡t,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,24,5. K-Ar定年實(shí)例,閃長巖K-Ar定年測試蝕變閃長巖 :樣品中元素及同位素比值w（K）/10－2： 1.75w

12、（40Ar）/ 10-10mol/g ：3.226 根據(jù)公式計算成巖年齡103.3+2.4Ma,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,25,6.2.2.2 40Ar-39Ar 法年齡測定,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,26,1. 40Ar-39Ar法年齡的基本原理及全氬釋放年齡,① 原理含鉀礦物中的39K在原子核反應(yīng)堆中受快中子輻照轉(zhuǎn)化為39Ar，公式為： 39K+n（中子）→ 39Ar+p（質(zhì)子）

13、,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,27,39Ar的產(chǎn)量為39Ar= 39K△t∫ e最小e最大φeσede△t輻照時間 φe為能量為e的中子的通量密度；σe為受能量為e的中子所輻照的截面積。,② 40Ar-39Ar定年公式,放射性氬計時公式,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,29,同除以39Ar的產(chǎn)量公式,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,30,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ

14、,31,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,32,對于標(biāo)樣和待測樣品J是相同的,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,33,：t=1/ λln[J（ 40Ar*/ 39Ar ）+1]也稱全氬釋放年齡,待測樣品年齡t：,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,34,③ 方法優(yōu)點(diǎn),將Ar絕對量測定轉(zhuǎn)化為同位素比值測定；減少了K-Ar法測定中所需兩份樣品不均一性造成的誤差,2024/3/20,第五章 同位素地

15、球化學(xué)Ⅱ,35,2. 分步升溫釋氬法—逐級加熱法,40Ar-39Ar將樣品的39K原位轉(zhuǎn)化為39Ar，因而有可能將不同的部分的Ar分階段釋放，并獲得每階段的年齡信息。在遭受擾動的樣品中，邊緣部分Ar最容易擴(kuò)散丟失，在較低的溫度下就釋放Ar；而Ar保存較牢固的部分，在高溫下才可能將Ar釋放出來。采用階段升溫技術(shù)，可以獲得樣品受擾動狀況。獲得結(jié)果采用40Ar-39Ar年齡譜和40Ar-39Ar等時線,2024/3/20,第五章 同位素地

16、球化學(xué)Ⅱ,36,2 分步升溫釋氬法—逐級加熱法,① 40Ar-39Ar坪年齡（反映Ar丟失情況）② 40Ar-39Ar等時線年齡（反映過剩氬特點(diǎn)）,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,37,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,38,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,39,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,42,圖5.6 云南景谷宋家坡銅礦床鉀硅化英安斑巖全巖40Ar/39Ar 年齡譜,2

17、024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,43,圖5.7 云南景谷宋家坡銅礦床鉀硅化英安斑巖全巖40Ar-39Ar 等時線,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,44,圖5.8 云南金滿銅礦床石英的40Ar-39Ar年齡譜和40Ar/36Ar- 39Ar/36Ar等時線年齡,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,45,圖5.9 云南水泄銅（鈷）礦床石英的40Ar-39Ar年齡譜和40Ar/36Ar- 39Ar/36A

18、r等時線年齡,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,46,3、 40Ar-39Ar年齡的基本條件,① 3個以上的坪年齡在誤差范圍內(nèi)一致；② 3個以上的年齡坪的39Ar的析出量坪年齡大于50％；③ 40Ar /36Ar 比值（尼爾值）等于295.5±。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,47,6.2.3 Rb-Sr法年齡測定 及Sr同位素地球化學(xué),2024/3/20,第五章

19、同位素地球化學(xué)Ⅱ,48,6.2.3.1 Rb和Sr地球化學(xué),1. Rb性質(zhì)Rb是堿金屬元素，離子半徑為0.148nm，與K+半徑相近（0.133nm）；Rb能類質(zhì)同相象替代K，在含鉀礦物中廣泛存在Rb天然同位素：85Rb （27.85%） 87Rb （72.15% ）（85Rb/87Rb）=2.953——地球

20、、月球和大部分隕石87Rb是放射性同位素,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,49,Sr半徑：0.113nmCa2+（0.099nm）常與Ca類質(zhì)同象，賦存于含Ca礦物（斜長石、磷灰石和碳酸鈣等），少數(shù)獨(dú)立Sr礦物-天青石和磷鍶礦,2. Sr性質(zhì),2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,50,Sr有4個穩(wěn)定同位素：84Sr- 0.56% 86Sr- 9.87% 87Sr- 7.04% 88Sr- 82.5

21、3%87Sr豐度可變，其它原子數(shù)不變（宇宙成因） 87Rb通過β－衰變成87Sr，使其豐度改變。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,51,6.2.3.2 Rb-Sr法年齡測定,1. 定年公式： 87Rb→87Sr+β－+v+E,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,52,年齡公式：Rb-Sr法測年的基本公式,①(87Sr/ 86Sr) s—封閉體系內(nèi)現(xiàn)今子體同位素比值②(87Rb/ 86

22、Sr) s—現(xiàn)放射性母體與穩(wěn)定子體同位素比值③λ是87Rb衰變常數(shù)，1.42×10－11a－1④(87Sr/ 86Sr)0—體系中子體同位素的初始值?？梢约俣ɑ蜻x擇富Sr貧Rb礦物的確定該值。通過假定(87Sr/ 86Sr)0獲得的是模式年齡，不可靠。,2.各參數(shù)含義及確定方法,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,54,3 Rb－Sr模式年齡測定,不同巖類樣品混入的初始鍶(87Sr/ 86Sr)0是不同的。

23、地幔、隕石、月巖(87Sr/ 86Sr)0 =0.6999地殼源地質(zhì)體(87Sr/ 86Sr)0 =0.7120花崗質(zhì)巖石(87Sr/ 86Sr)0 =0.7100,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,55,測某花崗巖樣品（87Sr/86Sr）s=2.283（87Rb/86Sr）s=558.8求花崗巖的形成年齡t代入公式t=198.31Ma,舉 例,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,56,對初始鍶的

24、估計是人為的、粗略的，計算年齡值誤差大.為了彌補(bǔ)對初始鍶估計的缺陷，設(shè)計了Rb－Sr等時線法。,方法缺點(diǎn),2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,57,4. Rb-Sr等時線年齡,①原理/假設(shè)：(87Sr/ 86Sr)0難以確定，為了避免因初始鍶同位素比值的估計引起的誤差，設(shè)計了一組全巖樣品的Rb-Sr等時線測定年齡。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,58,1）所研究的一組樣品具有同時性和同源性2）巖石或

25、礦物形成時Sr同位素組成在體系內(nèi)是均一的，因而有著相同的87Sr/ 86Sr 初始比值3）體系內(nèi)化學(xué)成分均一，而Rb/Sr比值有差異4）自結(jié)晶以來， Rb、Sr保持封閉，沒有與外界發(fā)生物質(zhì)交換。,,② 前 提,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,59,取式中y= (87Sr/ 86Sr)s x＝ (87Rb/ 86Sr)s a= (eλt－1)b= (87Sr/ 86Sr)0 方程：y=ax+b,③ 等

26、時線的擬合,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,60,,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,61,最小二乘法擬合，R（相關(guān)系數(shù)）表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)性；York方程雙回歸誤差分析，等時線擬合參數(shù)（MSWD）值評價等時線質(zhì)量，越小等時線質(zhì)量越好。 MSWD＞1有地球化學(xué)誤差，反之不存在,③等時線的擬合,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,62,含K礦物，一般選擇全巖測定，當(dāng)全巖 Rb/Sr比值非常均一，可以采

27、用單礦物（Rb）和全巖混合獲取等時線，求得年齡。,④ 樣品選擇,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,63,1）基性、中酸性巖漿巖形成時代如花崗巖:鋰云母、鉀長石、其它云母類礦物,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,64,2）綠片巖相以上的變質(zhì)作用可以使Sr均一化，全巖等時線代表變質(zhì)事件年齡，不是變質(zhì)原巖年齡，礦物內(nèi)部等時線代表最后一次退變質(zhì)作用時間；變質(zhì)巖：蝕變鉀長石、蝕變云母類礦物 3）很少用于沉積巖研究

28、沉積巖：沉積自生礦物海綠石,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,65,注 意 點(diǎn),①一組樣品采集在同一母體上，才能盡可能保證是同源，有一致的87Sr/86Sr初始值；② 樣品布點(diǎn)的空間分布合理(以免樣品Rb/Sr比值接近,形成不了等時線)；③ 盡力保證樣品新鮮,不受后期作用影響(保持封閉體系)；④ K含量低的樣品(超基性巖)不應(yīng)用此法。,5 工作步驟,① 觀察②作出采樣計劃: a空間分布； b新鮮程度；c用眼目估含鉀

29、礦物含量；③采集10-15個樣品(0.5-1kg)配上標(biāo)本（磨制薄片），單礦物樣量(0.5-1g)；④無污染加工(瑪瑙研缽)；⑤作Rb、Sr 定量分析算出每個樣Rb/Sr比值；⑥結(jié)合Rb/Sr比值和鏡下觀察結(jié)果，選擇無后期作用疊加的五個樣品，送Rb-Sr同位素實(shí)驗(yàn)室；⑦Rb-Sr等時線法樣品用全巖樣, 為了拉開比值亦可挑選合適的單礦物與全巖樣共同成線。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,67,6 實(shí)例,2024/

30、3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,68,圖5-11 景谷民樂宋家坡銅礦床蝕變和礦化英安斑巖全巖Rb-Sr等時線,,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,70,6.2.3.3 Rb-Sr同位素地球化學(xué)應(yīng)用,1. 測定復(fù)雜地質(zhì)體(隕石、月球)的年齡① 巖體基本保持封閉體系—全巖樣品的等時線的斜率仍能代表成巖時間；② 變質(zhì)作用過程Sr同位素在新生變質(zhì)礦物中進(jìn)行了均一化, 出現(xiàn)了一個新的變質(zhì)作用初始值(87Sr/86Sr

31、)0,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,71,成巖年齡測定：采集全巖樣品作等時線；變質(zhì)年齡測定：挑選含Rb的變質(zhì)礦物作等時線附圖變質(zhì)過程中Sr同位素重新均一化,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,72,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,73,2. 示蹤,(87Sr/86Sr)0地幔、地殼具有不同的初始值，利用該值了解地幔不均一性、成巖成礦物質(zhì)來源等信息。,2024/3/20,第五章 同位素地球

32、化學(xué)Ⅱ,74,(1) 探索地殼和上地幔(87Sr/86Sr)0演化,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,75,① 隕石和整體地球的Sr同位素組成地球和隕石是大致同時間由太陽星云形成，目前公認(rèn)玄武質(zhì)無球粒隕石的(87Sr/ 8Sr)0比值為0.69897+0.00003代表地球形成時初始比值，以BABI表示,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,76,現(xiàn)今上地幔(87Sr/ 86Sr)0比值為0.702~0.706

33、，平均0.7037。地幔以BABI為初始值演化到現(xiàn)今的比值，連接兩條線，兩線之間是地幔初始Sr演化范圍。因?yàn)檠莼豢赡苁蔷€性的，所以演化線為曲線更合適。由地幔的現(xiàn)今初始Sr比值，地球形成年齡及BABI值，反衍地幔的Rb/Sr比值偽0.027，很低，因而演化線斜率小，增長緩慢。,② 地幔Sr同位素組成和演化,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,77,大陸地殼在25億年形成Si—Al層，其現(xiàn)代Si—Al層巖石87Sr/86S

34、r比值為0.7190。連線0.719和25億年前的大陸殼獲得地殼初始Sr演化趨勢。,③ 地殼Sr同位素組成及演化,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,78,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,79,(2) 地幔不均一性,洋中脊玄武巖洋島玄武巖大陸玄武巖等,↓,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,80,(3) 成巖成礦物質(zhì)來源,由地殼和地幔初始鍶演化圖及巖體或礦床的初始鍶可以獲得來源信息：① 巖石

35、Sr初始值落在大陸殼鍶增長線以上或附近，表明巖石的物質(zhì)主要來自陸殼；② 若落于玄武巖區(qū)，則物質(zhì)來自上地幔；③ 若落于地殼和地幔玄武巖增長線之間，反映物質(zhì)成分是復(fù)雜的。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,81,3. 劃分巖石類型,(87Sr/ 8Sr)0比值劃分巖石類型查佩爾(B.W.Chappell,1974)等人將花崗巖劃分為S型和I型。兩者在主要礦物組成、副礦物成分、巖石化學(xué)特征及成礦專屬性上都有不同。I(Ig

36、neous)型花崗巖漿是由火成(巖漿)物質(zhì)部分熔融形成；S(Sedimentary)型花崗巖漿則是沉積物質(zhì)部分熔融形成。,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,82,4. 風(fēng)化強(qiáng)度指標(biāo),下圖為海水鍶初始值變化圖譜,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,83,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,84,黃土酸不溶相87Sr/86Sr,2024/3/20,第五章 同位素地球化學(xué)Ⅱ,85,2024/3/20,第五章