中国地质大学 春地球化学 .pptx

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1、中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Sm(Z=62)Nd(Z=60)稀土元素（稀土元素（REE）第1页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Sm,Nd同位素组成同位素组成第2页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素一、REE的行为1.REE 的离子半径（的离子半径（Radii)随着原子数的增加而减小；随着原子数的增加而减小；La:Z=57,R=1.15 Lu:Z=71,R=0.932.REEs 在不同矿物中的行为是不同的；在不同矿物中的行为是不同的；例如：长石例如：长石(feldspar)，黑云母，黑云母(biotite)和磷灰石和磷灰

2、石(apatite)富集轻稀土；而辉石富集轻稀土；而辉石(pyroxenes)，角闪石，角闪石(amphiboles)和石榴石（和石榴石（garnet)富集重稀土；富集重稀土；矿物对稀土的选择性吸收，决定了其组成岩石的稀土元矿物对稀土的选择性吸收，决定了其组成岩石的稀土元素含量及模式。素含量及模式。第3页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Sm,Nd地球化学行为1.Sm,Nd在太阳系中的丰度在太阳系中的丰度 Nd:8.72910-1/106 Si Sm:2.58210-1/106 Si Sm/Nd:0.312.大陆地壳岩石大陆地壳岩石(granite,granulite

3、,shale,graywacke,sandstone,limestone)的的Sm/Nd比值小于镁质火山岩比值小于镁质火山岩(tholeiite,basalt,grabbro,ultramafic rocks)的的Sm/Nd比值比值;第4页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素第5页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素3.Nd is preferentially concentrated in the liquid phase during partial melting of silicate minerals,whereas Sm remain

4、s in the residual solids(解释大陆地壳低的解释大陆地壳低的Sm/Nd比值比值)；4.磷酸盐矿物磷酸盐矿物(phosphate minerals)(例如：例如：apatite 和和monazite)、碳酸盐岩、碳酸盐岩(carbonatites)的的Sm,Nd含量较高，含量较高，但但Sm/Nd比值小于比值小于0.32；5.石榴石石榴石(garnet)具有较高的具有较高的Sm/Nd比值比值0.54，但其含量，但其含量不高：不高：Sm(1.17ppm)，Nd(2.17ppm)；6.钾长石钾长石(K-feldspar)，黑云母，黑云母(biotite)，角闪石角闪石(amphi

5、bole)，单斜辉石，单斜辉石(clinophyroxene)具有较低具有较低Sm/Nd比值比值0.32，但其含量较高；，但其含量较高；Sm,Nd地球化学行为第6页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素二、Sm-Nd定年学原理参考参考:Begemann et al.,2001,Call for an improved set of decay constants for geochronological use,Geochim.Cosmochim.Acta,65:111-121第7页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Sm-Nd定年学原理其中：其中

6、：第8页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素143Nd/144Nd测定值的影响因素：测定值的影响因素：1)The proper calibration of spike solutions used to determine concentrations of Nd and Sm by isotope dilution;2)Corrections for interfering isobaric ions in the mass spectra of Sm and Nd;3)The form of the isotope fractionation law used t

7、o correct for mass-dependent fractionation in the mass spectrometer,and 4)The numerial value of the isotope ratio chosen for this purpose.二、Sm-Nd定年学原理第9页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素现今球粒陨石质均一储库现今球粒陨石质均一储库(Chrondritic uniform reservoir)(CHUR):指用球粒陨石的指用球粒陨石的Sm/Nd和和143Nd/144Nd比值代表未经化学比值代表未经化学分异的原始地幔的初

8、始比值分异的原始地幔的初始比值;计算出地球形成时的计算出地球形成时的l43 Nd/144 Nd初始比值为初始比值为0 506633。1)目前国际上采用的目前国际上采用的CHUR参考值为：参考值为：143Nd/144Nd=0.512638;147Sm/144Nd=0.1967二、Sm-Nd定年学原理第10页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素SmNd定年国际标样1.BCR-1:A powdered sample of Columbia River Basalts(UGS)2.LaJolla Nd:Nd2O3(Lugmair and Carlson,1978)3.J&M 3

9、21:high-purity Nd2O3 reagent(Jognson and Mathey)4.JNdi-1:Nd2O3(Tanaka,et al.,2000)二、Sm-Nd定年学原理第11页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素校正参考值：校正参考值：146Nd/144Nd=0.7219JNdi-1:143Nd/144Nd=0.5121150.000007(N=133);LaJolla Nd:143Nd/144Nd=0.5118580.000007(N=145);BCR-1:143Nd/144Nd=0.5126500.000040;J&M 321:143Nd/144

10、Nd=0.5111370.000008(N=12);文献中的统计：文献中的统计：LaJolla Nd:143Nd/144Nd=0.5118480.00005;BCR-1:143Nd/144Nd=0.5126420.000006;SmNd定年国际标样参考值二、Sm-Nd定年学原理第12页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Sm-Nd方法适合基性、超基性火成岩定年；Rb-Sr法更适合于酸性、中酸性火成岩定年；REE在变质作用、热液作用和化学风化作用中比Rb、Sr要稳定的多，因而对那些已发生Rb、Sr迁移的岩石仍能用Sm-Nd法定年；Sm-Nd法用来测定因Rb/Sr值低或对R

11、b-Sr不再封闭的岩石年龄；二、Sm-Nd定年学原理第13页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素三、低变质相火山岩定年1.Sm-Nd同位素系统的封闭性在低变质作用过程中不易被改变；2.矿物及岩石的Sm-Nd同位素系统的封闭温度较高（相对于Rb-Sr而言）；3.最早的Sm-Nd定年研究主要集中于太古宙火山岩的结晶年龄的测定。第14页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素 147Sm、143Nd这对母子体同位素同属稀土元素，具有十分这对母子体同位素同属稀土元素，具有十分相似的地球化学性质，使得放射性成因的子体相似的地球化学性质，使得放射性成因的子体14

12、3Nd形成后形成后很自然地继承母体在晶格中的位置，而不会逃逸。很自然地继承母体在晶格中的位置，而不会逃逸。各种地质作用都很难使各种地质作用都很难使Sm和和Nd 发生分离和迁移，因而发生分离和迁移，因而Sm-Nd体系一般较易保持封闭。体系一般较易保持封闭。研究表明：如果体系中没有流体参与，角闪岩相甚至麻研究表明：如果体系中没有流体参与，角闪岩相甚至麻粒岩相变质作用的岩石，仍能使粒岩相变质作用的岩石，仍能使Sm-Nd同位素系统保持封同位素系统保持封闭，从而能获得较正确的变质岩原岩的年龄信息。闭，从而能获得较正确的变质岩原岩的年龄信息。由于由于147Sm的衰变常数较小，因此的衰变常数较小，因此Sm-

13、Nd法通常适合对古法通常适合对古老岩石的定年（老岩石的定年（10亿年）。亿年）。Sm-NdSm-Nd等时线法的优点等时线法的优点第15页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Whole-rock Sm-Nd geochronology on Late-Archaean Lewisian complex of Northwestern Scotland实实 例例第16页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素第17页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素whole-rock isochron ages the age of the

14、magmatic protolithmineral isochron ages the metamorphic age at an early stage第18页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Sm-Nd geochronology of the Guichicovi metamorphic basement near the western edge of the Maya terrane in southern Mexico 第19页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素模式年龄（模式年龄（Model Dates Based on CHUR

15、)CHUR在在 t时刻的时刻的143Nd/144Nd的值的值CHUR Model第20页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素CHUR Model can be used to date rock of the continental crust by determining the time at which the Nd they contain seperated from the“chondritic reservoir”.（假定地壳岩石的（假定地壳岩石的Sm/Nd比值变化只发生在从比值变化只发生在从CHUR源区分离的时刻，其后源区分离的时刻，其后Sm/Nd比值保

16、持不变，则地壳岩石在一个时间为比值保持不变，则地壳岩石在一个时间为t的的(143Nd/144Nd)0值就是值就是CHUR源区在时间为源区在时间为t的演化值。）的演化值。）假如岩石在假如岩石在t时刻从时刻从CHUR储源库中分离出来，储源库中分离出来，那么有以下公式：那么有以下公式：模式年龄（模式年龄（Model Dates Based on CHUR)第21页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素模式年龄（模式年龄（Model Dates Based on CHUR)第22页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素第23页/共41页中国地质大学（北京）第

17、五章第3节Sm-Nd 同位素t为为CHUR模式年龄（模式年龄（TCHUR)，其中：，其中：第24页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素计算计算CHUR模式年龄（模式年龄（TCHUR)的假设的假设1.Mantle-drived magmas contained Nd whose isotope composition was accurately represented by CHUR throughout geological time;2.The Sm/Nd ratios of the rocks being used dated did not change dur

18、ing their residence in the continental crust;3.The measured 143Nd/144Nd ratios of the rocks and of CHUR were corrected for isotope fractionation to the same reference ratios4.The 143Nd/144Nd ratios of the rocks(after correction for fractionation)are free of instrumental bias and the concentrations o

19、f Sm and Nd are acruate.第25页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素模式年龄（模式年龄（Model Dates Based on Depleted Mantle)CHUR Model can be used to date rock by determining the time at which the Nd they contain seperated from the Depleted Mantle(DM).假如岩石在假如岩石在t时刻从亏损地幔时刻从亏损地幔(DM)储源库中储源库中分离出来，那么有以下公式：分离出来，那么有以下公式：第26页

20、/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Fig.Nd isotope evolution in mantle and crust第27页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素第28页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素第29页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素t为为DM模式年龄模式年龄(TDM)，其中：，其中：第30页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素A.若若岩岩浆浆直直接接派派生生于于亏亏损损地地幔幔物物质质的的部部分分熔熔融融或或分分异异结结晶晶，则岩浆的结晶年龄与则岩浆的

21、结晶年龄与T TDMDM相近，相近，T TDM.B.若若岩岩浆浆来来自自于于早早期期地地壳壳物物质质的的再再循循环环或或发发生生壳壳幔幔混混合合作作用，则岩浆的结晶年龄小于用，则岩浆的结晶年龄小于T TDMDM。TTDM.C.沉沉积积岩岩中中T TDMDM（主主要要为为细细碎碎屑屑岩岩）一一般般只只代代表表地地壳壳物物质质的存留年龄或区域地壳的平均形成年龄。的存留年龄或区域地壳的平均形成年龄。D.如如果果地地壳壳物物质质在在其其形形成成后后Sm/NdSm/Nd比比值值发发生生了了改改变变，则则需需要要用用二二阶阶段段或或多多阶阶段段的的模模型型计计算算其其模模式式年年龄龄（LiewLiew，1

22、9881988）。）。TDM与真实年龄与真实年龄T第31页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Comparison of crustal residence ages of the Grenville Terrane in Southern Mexico第32页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素Bulk EarthCorePrimitive mantleCrustMordern MantleLowerMantleUpperMantleUpperCrustLowerCrust四、同位素示踪基本原理四、同位素示踪基本原理第33页/共41页中国地质大

23、学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素四、同位素示踪基本原理四、同位素示踪基本原理第34页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素四、同位素示踪基本原理四、同位素示踪基本原理第35页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素四、同位素示踪基本原理四、同位素示踪基本原理Sm、Nd这对母子体具有相似的地球化学性质，除岩浆作用过程Sm/Nd比值能发生一定变化外，一般地质作用很难使Sm、Nd分离，特别是在地质体形成之后的风化、蚀变与变质作用过程，Sm、Nd同位素通常不会发生变化；第36页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素四、同位素示踪基

24、本原理四、同位素示踪基本原理由于在整个地质时期由于在整个地质时期143Nd/144Nd比值变化很小，引入了比值变化很小，引入了Nd参参数，其涵义为：数，其涵义为：式中的式中的Nd（0）代表样品现今的（）代表样品现今的（143Nd/144Nd）S相对相对CHUR现现今的（今的（143Nd/144Nd）CHUR比值的偏差值。比值的偏差值。式中的式中的Nd(t)代表样品代表样品t时刻（时刻（143Nd/144Nd）S（t）相对于）相对于t时刻时刻的的CHUR(143Nd/144Nd)CHUR(t)的偏差值。的偏差值。第37页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素四、同位素示踪基本原理四、同位素示踪基本原理第38页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素四、同位素示踪基本原理四、同位素示踪基本原理第39页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素四、同位素示踪基本原理四、同位素示踪基本原理第40页/共41页中国地质大学（北京）第五章第3节Sm-Nd 同位素感谢您的观看！第41页/共41页