lu-hf同位素体系 pdf资料

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1、Lu-Hf 同位素体系简介同位素体系简介 一、一、Lu-Hf 同位素同位素 镥是一种稀土元素，镥在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛，但含 量很低。自然界中镥的重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） 。 镥有两个天然同位素： 175Lu 和176Lu。 它们的相对丰度分别为 97.39%和 2.61%。 176Lu 为放射性同位素，通过 衰变形成更稳定的176Hf。 铪是一种分散元素，其化学性质和离子半径与锆石非常相似，因而常以类质 同像替换锆的方式进入许多矿物的晶体结构，其中以锆石中铪的含量最高。 铪有 6 个同

2、位素： 174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,180Hf， 它们的相对丰度分别为： 0.20%，5.2%，18.6%，27.1%，13.7%，35.2%。其中 174Hf 是放射性同位素，它 通过 衰变形成稳定的 170Yb。 二、二、Lu-Hf 法定年法定年 基本原理： 173176 LuHfE 含镥岩石或矿物的年龄可根据下式计算： 173177176177176177 /(/)/(1) t i HfHfHfHfLuHf e 176Lu 的衰变常数 =1.940.0710-11a-1。对于满足等时线年龄测定的一组样 品，可采用与 Sm-Nd 和 Rb-Sr 法相似的等时

3、线方法来测定样品的 Lu-Hf 等时线 年龄。 适合于 Lu-Hf 同位素年龄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 2410-6，但因其铪含量太高；硅铍钇矿虽具有很高的镥含量， 但因其极少见，因而这两个矿物通常不适合用于 Lu-Hf 年龄的测定对象。 三、三、Lu-Hf 法定年实例法定年实例 1.含石榴石变质岩的含石榴石变质岩的 Lu-Hf 同位素定年同位素定年 石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一中非常常见的矿物。石榴石具有较高的 Hf 封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的 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

4、石榴子石 Lu-Hf 封闭温度封闭温度 对封闭温度的解读是诠释放射性同位素年龄代表矿物生长/结晶年龄或冷却 年龄的重要前提。放射性同位素母子体在特定矿物中的封闭温度与其活化能、元 素扩散系数、岩石冷却速率以及矿物颗粒大小和开头等因素密切相关。目前一般 认为石榴子石 Lu-Hf 体系封闭温度高于 700，高于或者等于同等条件下石榴子 石 Sm-Nd 体系的封闭温度。 1.2 包裹体的影响包裹体的影响 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

5、子石 Lu-Hf 定年的影响不 容忽视 （图 1） ， 其他常见矿物包裹体对石榴子石 Lu-Hf 体系的影响则非常有限。 图 1 锆石对于石榴子石 Lu-Hf 等时线影响示意图 1.3 以大别榴辉岩为例的以大别榴辉岩为例的 Lu-Hf 年代学年代学 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图见图 2。全岩与石榴子石的 176Lu/177Hf 比值范围 为 0.010.05，得到的等时线年龄为 25416Ma，初始 176Hf/177Hf 比值为 0.2821210.000010，MSWD=0.35，对应的

6、Hf（254Ma）=-16.6。 石榴子石 Lu-Hf 定年方法由于石榴子石生长的复杂性，需要考虑多种因素对 Lu-Hf 年龄结果的影响，才能赋予年龄正确的地质意义。 2.含磷灰石岩石的含磷灰石岩石的 Lu-Hf 同位素定年同位素定年 磷灰石是另一个 Lu/Hf 比值较高的矿物，由于该矿物不仅产于通常的岩浆岩 和变质岩中， 在沉积岩中也经常出现， 因而也是进行沉积作用定年代的重要对象。 岩浆岩，特别是镁铁质岩浆岩由于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

7、中的磷灰石、异性石、榍石和全岩进行了 Lu-Hf 同位素测定，所获 得的等时线年龄分别为 53.530.53、60.180.45 和 402.42.8Ma（采用的 176Lu 衰 变常数为 1.86910-11） 。 之后， Larsson and Soderlund (2005)对瑞典南部含 Fe-Ti 矿 化的镁铁质堆晶岩进行了测定， 其磷灰石、 斜长石和全岩构成一条 1204.31.8Ma 的 Lu-Hf 等时线，这一年龄也与用其它方法获得的年龄一致。 3. 岩石圈地幔的岩石圈地幔的 Lu-Hf 同位素定年同位素定年 岩石圈地幔的定年一直是固体地球科学研究的难点，一方面是缺少常见的定 年

8、矿物，其二是地幔的温度高，通常的同位素体系在地幔中不能封闭。此外，岩 石圈地幔在形成后大多经历过后期交代作用。因此，传统的 Sr-Nd-Pb 等同位素 大多采用 Re-Os 法来对此年龄加以限定，但 Re 的活动性质使获得年龄的解释复 杂化。因此，近几年来，各国学者都在努力探索 Lu-Hf 法对岩石圈地幔定年的可 行性。从理论上来说，Lu-Hf 同位素体系具有较高的封闭温度，并有可能在岩石 圈地幔形成后一直保持封闭，从而可以给出可信的年龄。 四四、Hf 同位素在地质学中的应用同位素在地质学中的应用 1.Hf 同位素示踪的基本原理同位素示踪的基本原理 Lu 与 Hf 均为难溶的中等强不相容性亲石

9、元素，这一点与 Sm-Nd 体系有 很大的类似性。因此，Hf 同位素示踪的基本原理与 Nd 同位素相同。 1.1Hf 同位素研究中的有关公式同位素研究中的有关公式 176177176177 ,0 176177176177176177176177 ,0 1761771761771761 1 (0)(/) /(/)1) 10000 ( )(/)(/)(1)/11) 10000 1/ln 1(/)(/)/(/ HfSCHUR tt HfSS CHURCHUR HfSDM HfHfHfHf tHfHfLuHfeHfHfLuHfe THfHfHfHfLu 77176177 211 17617717617

10、7 / )(/) ()()/() (/) /(/)1 SDM HfHfHfccsccDM Lu HfSCHUR HfLuHf TTTtffff fLuHfLuHf 其中， (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分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的 fLu/Hf。T 为样品形成时间， =1.86710-11year-1。 1.2Nd-H

11、f 同位素的相关性和解耦同位素的相关性和解耦 Sm-Nd、Lu-Hf 体系的相似性导致 Nd 与 Hf 同位素间呈现正相关（Vervoort and Patchett,1996） ， 并提出 Hf(t)2Nd(t)的关系式。 但这两个体系仍存在一定的差 别： （1）在部分熔融过程中，Lu/Hf 元素的比值变化范围要大于 Sm/Nd 的变化范 围。同时，176Lu 的半衰期（36Ga）要比 147Sm 的半衰期（108Ga）差不多要短三 倍，从而出现在相同的时间内，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 体系还可适应于年轻体系的研究； （2）在风

12、化 作用过程中，不同产物的 Sm/Nd 比值不会发生很大的变化；但对 Lu-Hf 体系， 情况变得不同。因为，Hf 主要与 Zr 结合而赋存在锆石中，在岩石风化过程中， 锆石主要在粗粒的碎屑沉积物中富集；而细粒的沉积物，如粘土，其锆石的含量 很少。因此，不同风化程度岩石的 Lu/Hf 比值有很大的变化范围，这一现象又称 “锆石效应”(zircon effect, Patchett et al.,1984)。但是 Vervoort el al.(1999)对 100 余 个沉积岩样品的测定发现，所谓的锆石效应并不明显。 （3）尽管 Hf、Nd 同位素 存在一定的正相关性， 但与 Sm-Nd 体系

13、中 Sm 的 Nd 同属稀土元素的特点不同的 是，Lu 属稀土元素，而 Hf 属高场强元素，因而 Lu 和 Hf 的地球化学性质存在显 著差异。这样在岩石变质和岩浆作用过程中，有可能 Hf和 Nd之间并不存在预 想的线性关系，即存在 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 但是，尽管局部地区存在 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非常清楚 （图 3） ， 表明在宏观尺度上， 石榴石可能并未进 入熔体相，或者在下部地壳中，石榴石出现的时间较短而不足以产生放射性成因 Hf 的积累。 表 1 重要地球化学储源库现今 H

14、f 同位素组成 储源库名称 176Lu/177Hf 176Hf/177Hf fLu/Hf 球粒陨石 0.03322 0.28277229 0.00 亏损地幔 0.0384 0.28325 0.16 下地壳（镁铁质） 0.022 -0.34 上地壳（长英质） 0.0093 -0.72 平均地壳 0.015 -0.55 1.3 重要地球化学储源库的重要地球化学储源库的 Hf 同位素组成同位素组成 表 1 列出了目前相对确定的球粒陨石和亏损地幔的 Hf 同位素组成，对不同 类型富集地幔及地壳等的 Hf 同位素组成目前还缺乏应有的研究。 1.4 锆石锆石 Hf 同位素示踪同位素示踪 在 Hf 同位素示

15、踪研究中，锆石是一个非常重要的矿物。由于该矿物具有较 高的 Hf 含量， 但 Lu 的含量又极低， 从而导致其 176Lu/177Hf 具有非常低的比值。 因此， 锆石在形成后基本没有明显的放射性成因 Hf 的积累， 所测定的 176Hf/177Hf 比值基本代表了其形成时体系的 Hf 同位素组成。 运用锆石 Hf 同位素示踪地质演化具有一系列的优越性。首先，锆石在大多 数岩石中都存在，而且极抗风化；其二，锆石具有很高的 Hf 同位素体系封闭温 度；第三，锆石具有较高的 Hf 含量和极低的 Lu/Hf 比值，因而由年代不确定性 引起的 176Hf/177Hf 比值误差有限；第四，和 Nd 同位

16、素不同，一个岩石若由多种 组份构成，则我们可以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 同位素数据只有一个。 1.5Hf 同位素模式年龄的解释同位素模式年龄的解释 就锆石的 Hf 同位素示踪而言，我们在大多数情况下还应考虑其两阶段的模 式年龄，基本原理如图 4 所示。 图 4 单阶段与两阶段 Hf 模式年龄计算示意图 假设 2.5Ga 时亏损地幔熔融形成玄武质下地壳岩石（地壳形成事件，模式年 龄的涵义） ，而该岩石在 1.0Ga 时发生再熔融形成花岗岩（地壳物质再循环） 。如 果所形成的花岗岩具有其源岩的 Lu/Hf 比值，它演化至现在的 Hf 同位素组成为 A 点。这样根据测定获得的 176Lu/177Hf 和176Hf/177Hf 数据，我们可获得该岩石的 Hf 模式年龄为 2.5Ga。但对 1.0Ga 形成的花岗岩中的锆石而言，它演化至现在