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          第四章 同位素地球化学2(2012)_图文

          ?

          ?-decay
          38 37
          87

          # prot ons

          Sr
          87

          Rb
          n eo l uc
          8 8

          49 50 # neutrons

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          第四章 放射性同位素地球化学
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          # prot ons

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          92 91 90
          234 238

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          23 23
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          23 8

          144 145 146 # neutrons

          23 7 6 5 4

          n eo l uc

          s

          23

          §3.铷-锶(Rb-Sr)测年及同位素地球化学

          上节课主要内容:
          D ? D0 ? N (e ?1)
          该方程是同位素定年 基本原理的表达式
          ?t

          上节课主要内容:
          由于质谱分析只能测定同一元素的同位素比值,不能直接测

          定单个同位素的原子数,因此在同位素年代学方法中,必须选
          取子体元素的其它同位素作参照,来进行同位素比值的测定。 记参照的同位素为Ds,并使等式两边同除以DS,则:
          ? ?? D ? ? D ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? 1 ?? ? Ds ? ? Ds ?0 ? ? ? ? 1? t ? ln ? ? ? ? ?N ? ? ? ? ? ? Ds ? ? ? ?

          ?D? ?D? N ?t ? ? ? ? ? ? ? D ? ? D ? D ?e ? 1? s ? s ? ? s ?0

          上节课主要内容:
          **同位素体系的封闭性

          放射性同位素丢失

          D ? D0 ? N (e ? 1)

          ?t

          子体同位素丢失

          母体和子体同位素增加

          Thomson等(1905)首次发现Rb具有天然放射性,

          1937年,Hemmendinger等确认Rb的天然放射性来 自同位素87Rb的β-衰变。
          1946-1948年,Ahrens系统研究利用87Rb的衰变测定 地质年龄。 1959年前后,提出Rb-Sr等时线。

          主要内容:
          1. Rb,Sr地球化学性质
          2. Rb-Sr同位素测年原理 3. Rb-Sr同位素示踪原理

          一、 Rb、Sr的地球化学性质

          1、Rb地球化学性质
          ⑵Rb+的离子半径(1.48?); K+的离子半径((1.33?),在含K的矿物中,Rb+能替代K+; 既是微量元素又是分散元素,不能形成独立矿物。

          ⑴碱金属(Alkali metal)元素,大离子?#36164;?#20803;素,不相容元素。

          主要矿物:云母类(Micas ),钾长石(K-feldspar )(正长石和微斜 长石),粘土矿物(clay minerals ),蒸发盐(evaporite minerals ) (钾盐和光卤石)

          (3)自然界铷有2种同位素: 85Rb(稳定),同位素丰度72.1654%, 87Rb(放射),同位素丰度27.8346%

          85Rb/87Rb = 2.59265 。 Shields(1963) 测定 20 ~ 2600Ma 的不同地质

          产状中的硅酸盐矿物的该比值无变化,证实自然界中所有 的Rb都具有相同的同位素组成,而与含Rb矿物的产状、地 球化学历史无关。

          在Rb-Sr测年过程中,采用85Rb/87Rb=2.59265, Rb相对原子质 ?#35838;?5.46776。

          2、Sr地球化学性质
          ⑴碱?#20004;?#23646;(Alkaline earths metal),大离子?#36164;?#20803;素; ⑵Sr2+的离子半径(1.13?);

          Ca+的离子半径((0.99?),在含Ca的矿物中, Sr2+能替代Ca+;

          例如:斜长石(Plagioclase),磷灰石(apatite),碳酸钙(calcium carbonate), 文石(aragonite)
          Sr2+可以替代K+ ,但伴随着Al3+替代Si4+ ; 菱锶矿 Strontianite (SrCO3),天青石 celestite (SrSO4) ⑶自然界,锶有四个同位素(84,86,87,88),丰度 (0.56%,9.87%,7.04%,82.53%)

          钾矿物及富含钾的矿物和岩石是Rb-Sr法的主要采样对象

          锂云母

          天河石

          海绿石

          光卤石

          不同岩石中Rb、K、Sr、Ca的平均含量(单位:10-6)

          岩浆分离结 晶作用过程 中: Sr趋向于在 早期形成的 钙(质)斜长石 中富集

          而Rb富集于 岩浆残留液 相中,最终 进入富钾矿 物,或少量 的成为独立 矿物。 在逐渐结晶过程中,残余岩浆的Rb/Sr比值随分
          异程度的增大而逐渐增大

          二、 Rb-Sr同位素测年原理
          Rb 有2个同位素:
          85 37

          Rb

          87 37

          Rb

          72.17% Sr 有4个同位素:
          88 38

          27.83%

          Sr

          84 38

          Sr

          86 38

          Sr

          87 38

          Sr

          82.53%

          0.56%

          9.87%

          7.04%

          87 37

          Rb ? Sr ? ? ?? ? Q
          87 38 ?

          曾用3种不同方法测定87Rb半衰期,得到30多个 值,不同结果间偏差约±6%,年龄误差5%~ 6%。

          国际地科联地质年代学委员会(1976)推荐采用 87Rb的 T =4.88×1010a,λ=1.42×l0-11a-1。 1/2 这个值一直延用?#20004;瘛?#22312;此之前,国内外曾经 用过λ=1.39×10-11a-1或λ=1.47×10-11a-1等值。

          D ? D0 ? N (e ?1)
          N ?t ? D? ? D? ? ? e ?1 ? ? ? ? ? Ds ? ? Ds ?0 Ds

          ?t

          87

          Sr=87Sr0 +87 Rb(eλt -1)

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          ?

          ? 87 Sr ? ? 87 Sr ? ? 87 Rb ? ?t ? 86 ? = ? 86 ? + ? 86 ? (e ? 1) ? Sr ? ? Sr ?0 ? Sr ?

          三、Rb-Sr等时线定年
          ※Rb-Sr等时线满足的条件: 1)一套岩石系列的不同岩石,由于岩浆结晶分异作用造

          成不同岩石的Rb/Sr比值有差异;
          2)结晶分异作用经历的时间较短(与岩石的年龄相比可 忽略),各岩石形成Rb-Sr封闭体系的时间大致相同。 3)由于同源岩石具有相同的87Sr/86Sr初始同位素比值; 4)自结晶以来,每个样品都符合定年的基本条件—呈封 闭体系。

          ? 87 Sr ? ? 87 Sr ? ? 87 Rb ? ?t ? 86 ? = ? 86 ? + ? 86 ? (e ? 1) ? Sr ? ? Sr ?0 ? Sr ?

          1、岩浆岩Rb-Sr等时线定年
          基本假设: 岩浆的整个冷却过程中Sr同位素是均一的,即从岩 浆中形成的所有矿物或岩石具有相同的锶同位素初

          始比值;
          岩浆结晶的时间相对较短,所有的矿物或岩石具有

          基本相同的年龄;
          形成以后保持封闭,未受蚀变、变质等外来影响;

          ? 87 Sr ? 截 距: b ? ? 86 ? ? Sr ? 0
          87

          Sr 86 Sr

          斜 率:

          m ? e ?1
          1

          ?t

          年 龄:t ?
          87

          ?

          ln ? m ? 1?

          Rb /86 Sr

          岩浆岩结晶后Rb-Sr同位素体?#24403;?#21270;示意图

          图5-4 Rb-Sr等时线图

          图5-5 取自加拿大Sudbury的一套花斑岩 过渡岩和苏长岩的全岩等时线 等时线的斜率表示了1740±19Ma的年龄

          矿物等时线

          地质体同位素组成较均一、全岩Rb/Sr质 量比值差异小,难以形成等时线,此时 采用 “全岩-矿物等时线”
          代表岩石中矿物结晶年龄,比全岩年龄 低。

          来自同一个岩体的不同岩石标本,分出同一种矿物, 例如黑云母,这些矿物中的Rb/Sr不同,分别测Rb、Sr 含量及Sr同位素组成,可构成等时线图。 从一块岩石标本中选出不同的含铷矿物,如云母、长 石等,分析不同矿物中的Rb、Sr含量及Sr同位素组成 ,可构成等时线图。(因为不同矿物包括全?#39029;?#24120;有较大的
          Rb/Sr比差异,在等时线图上有较大的87Rb/86Sr展布,易得到比较 精确的等时线。)

          单矿物 Rb-Sr等 时线

          2、陨石的Rb-Sr定年

          意义:
          1. Since most stony meteroites have yielded similar Rb-Sr dates and innitial 87Sr/86Sr ratios, the isotope composition of Sr at the time of formation of the solar system appears to have been homogeneous.

          3、变质岩的Rb-Sr定年
          不同矿物的封闭温度也有所不同。
          Rb-Sr封闭温度是指Rb和Sr完全活动到完全不活动的瞬 间过渡时的温度;
          体系 矿物 封闭温度/℃

          Rb-Sr
          Rb-Sr

          正长石
          黑云母

          314
          300±50

          Rb-Sr
          Rb-Sr Rb-Sr Rb-Sr

          ?#33258;?#27597;
          全岩 角闪石 石榴石

          500,600-650
          650,680-750 550 650

          变质作用对Rb-Sr同位素体系的影响有两种:

          ①矿物开放系统

          ②全岩开放系统

          矿 物 开 放 系 统

          矿物的Rb-Sr系统发生变化,而全岩的Rb-Sr系 统保持封闭。例如:由Rb衰变产生的87Sr在富Rb 矿物中占据不稳定晶格。受到变质作用,87Sr趋 向于迁出晶格,从云母、钾长石这类富铷矿物中 释放的Sr将趋于被最近的能容纳Sr矿物(如斜长石、 磷灰石)吸收。然而全岩的Rb-Sr系统不发生变化。 在这种情况下,全岩等时线年龄和矿物等时线 年龄的意义是不同的。

          87

          Sr 86 Sr

          ? 87 Sr ? ? 86 Sr ? ? ?m

          ?t

          ? 87 Sr ? ? 86 Sr ? ? ?i
          Present

          ti

          tm

          87

          Sr 86 Sr

          ? 87 Sr ? ? 86 Sr ? ? ?m ? 87 Sr ? ? 86 Sr ? ? ?i

          ?矿物等时线指示变质作用年龄,截距代表了变质 均一化时的87Sr/86Sr比值;全岩等时线代表了岩浆 结晶年龄及初始比值。这种情况发生在低绿片岩相 变质作用阶段。
          ?若变质作用很轻微,则不能使矿物之间发生完全 的Sr同位素均一化,矿物不能构成等时线; ?若变质作用达到中高级绿片岩相以上,则Sr同位 素将可能在全岩?#27573;?#20869;发生均一化,这是全岩等时 线就代表了变质作用的年龄;

          若经历多次变质作用,矿物内部等时线往往代表

          最后退变质作用的时间,而全岩等时线往往代表
          主期变质作用的时间;

          若岩石化学成分发生了变化,Rb,Sr发生了带入
          和带出,则不能用Rb-Sr法定年(全岩开放系统);

          总之: 变质作用会使Sr同位素重新均一化
          小?#27573;?#30340;均一化:全岩等时线为代表岩石形成 年龄,矿物等时线为变质年龄。 大?#27573;?#30340;均一化:均代表变质年龄。

          测年小结
          1.Rb-Sr等时线法主要适用于测定基性、中性和中酸性岩浆岩 的形成年龄。 2.变质作用过程中,若矿物Rb-Sr同位素体系开放,但全岩的 同位素封闭,则全岩等时线年龄给出原岩的年龄,而矿物等 时线年龄给出了最后一次变质事件的年龄。 3.变质作用过程中,若全岩Rb-Sr同位素系统被改造,等时线 年龄往往不能提供变质岩原岩形成年龄的信息,只代表变质 事件的年龄或无意义的年龄信息。 4.Rb-Sr等时线法很少用于沉积岩年龄测定,如采用该方法, 必须对矿物进行详细的研究,且对制样的要求也非常严格。

          四、Rb-Sr同位素的示踪 Rb is more incompatible than Sr During partial melting of mantle and form magma intruding in to crust, Rb-Sr will be fractionated. Rb are easier to go into melt relative Sr, therefore, mantle will be depleted in Rb, while the crust will be enriched in Rb.

          Rb>Sr

          Rb>Sr

          1、Rb-Sr同位素的示踪原理
          (1) 岩石或者岩浆的同位素特征,只受同位素衰变规

          律控制,不受分异结晶作用影响,同位素比值在
          分离结晶过程中不发生变化,因此由源区部分熔 融形成的岩浆的同位素比值代表其源区特征。 (2) 现有的岩石或者岩浆可以识别源区,如果是混合 的源区,则具有混合的同位素特征。

          2、地幔-地壳的Sr同位素组成和演化

          地球锶同位素演化(Krauskopf,1995) A代表假定的在地球形成初期陨石均一储库0.699的87Sr/86Sr比值,AD表示变为地球 的地幔均一储库中该比值的变化.如果Rb/Sr比值为0.7015的一批地壳物质在约 2.9×109年时从地幔分离,BC表示其Sr同位素比值的增加-假定没有其中任何元素加 入或分出.BE表示相应的地壳物质源于Sr亏损的地幔部分同位素比值的变化.

          基本假设:地球形成之初,锶同位素组成 是比较均匀化的。后来,由于其原始物质 经过熔融、分异、形成地壳和地幔,它们 的锶同位素特征不同,所形成的岩石和矿 物含有大不相同的Rb/Sr比值,从而使后 来的锶同位素组成不同。

          地球形成以后,由于其原始物质经过熔融、分异、形成地

          壳和地幔,其锶同位素特征不同。
          在地壳形成过程中,由于Rb向上迁移进入硅?#37327;牽?#25152;以大

          陆壳 Rb/Sr 比值大约是上地幔的 10 倍,而且大陆壳的锶富
          含放射成因87Sr*。 地壳与地幔两大储库之间Sr同位素组成上的差异,对于区 分大陆壳和地幔的锶及判断成岩、成矿物质的来源,示踪

          ?#36731;?#20043;间相互作用的强度和过程具有重要意义。

          对已确认起源于上地幔 源区的现代玄武岩等岩石的 87Sr/86Sr进行统计研究的结 果显示,岩石的87Sr/86Sr值 变化于0.702~0.706之间,平 均值为0.704,Rb/Sr=0.027 ,以BABI值连接0.702和 0.706两个端点,分别构成两 条直线,形成一个阴影区域 ,阴影区即玄武?#20197;?#21306;,代 表上地幔(87Sr/86Sr)0随时间 的演化。

          ?若岩石的初始87Sr/86Sr比值落在大陆壳增长线以上或其附 近,表明形成该岩石的物质来自于陆壳; 若岩石的(87Sr/86Sr)0比值落于 “玄武岩区?#20445;?#21017;表明形成它们的 物质来自上地幔源区; 若岩石初始87Sr/86Sr比值落在 大陆壳增长线和“玄武?#20197;?#21306;” 之间,则表明它们的物源可能 是多样的,或来自?#36731;?#28151;合的 源区,或来自地壳下部Rb/Sr 比值?#31995;?#30340;角闪岩相,麻粒岩 相高级变质岩等。

          地球的初始87Sr/86Sr值=玄武质无球粒陨石(BABI)=0.69897

          来自上地幔物质(玄武岩)(87Sr/86Sr)0= 0.702—0.706,平均 0.704,Rb/Sr=0.027
          现今大陆壳(87Sr/86Sr)0=0.719 洋中脊(87Sr/86Sr)0=0.7028 海岛玄武岩(87Sr/86Sr)0=0.70386 弧玄武岩(87Sr/86Sr)0=0.70437 大陆玄武岩(87Sr/86Sr)0=0.70577

          幔源型花岗岩:低(87Sr/86Sr)i比值,一般0.702~0.704和基性 玄武质火山岩一样,落在地幔锶演化?#27573;?#20869;。由上地幔 物质局部熔融分异而成,没?#24615;?#21463;地壳锶的混染。(西 藏曲水岩体,0.7033~0.7036) 壳源花岗岩:高(87Sr/86Sr)i比值,一般大于0.710。由这些地 壳物质深熔作用产生,或者母岩浆遭受了大量古老硅铝 质物质的同化作用所形成。 ?#36731;?#21516;熔型:中等(87Sr/86Sr)i比值,一般0.705~0.710成岩物 质可由幔源和壳源两?#21482;?#21512;而成,亦可能由低Rb/Sr比的 地壳基底岩石局部熔融所致。

          2、海水锶的同位素组成和演化
          影响大洋 锶同位素 比值的因 素 (1)年轻 火山岩, 0.704; (2)大陆 壳古老硅 铝质岩石 ,0.720; (3)?#38504;?宙海洋碳 酸岩,0.708
          现代海水:0.7090 地质历?#20998;校?#21464;化


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