1、上次課回顧,sm-nd定年公式： tchur（球粒隕石模式年齡）、tdm （虧損地幔模式年齡）、sm-nd等時(shí)線 適用于sm-nd年齡測(cè)定的巖石和礦物樣品,六、同位素地球化學(xué)-4,u-th-pb同位素體系,u-th-pb地球化學(xué)性質(zhì),u和th常為+4價(jià)，離子半徑分別為1.05和1.10； u和th均為強(qiáng)不相容元素，在地殼中富集，地幔中虧損； 多數(shù)條件下u和th呈分散狀分布于造巖礦物中或集中于副礦物中(鋯石、獨(dú)居石、磷灰石、榍石)；鋯石(zrsio4)選擇性富u，獨(dú)居石(la,ce,thpo4)選擇性富th。,pb為中等不相容元素，其離子半徑為1.32 ； pb的獨(dú)立礦物為方鉛礦，在硅酸鹽礦物中

2、，多與元素k形成類質(zhì)同象而趨向存在于鉀長(zhǎng)石等礦物中； 通常條件下pb性質(zhì)穩(wěn)定，但在高溫和酸性條件下可形成氯或硫的化合物，易溶解于熱液中而發(fā)生遷移。,u-th-pb同位素體系,u-th-pb地球化學(xué)性質(zhì),u-th-pb同位素體系,各類巖石中u,th,pb的平均含量,u-th-pb同位素體系,自然界中的u 、 th 、 pb的分布:,沉積巖中: (u6+o2)2+溶于堿性海水，故沉積碳酸鹽中th/u = 0.77；但深海錳結(jié)核中，因粘土吸附th，th/u = 5.38。,u-th-pb同位素體系,u-th-pb同位素,鈾由3個(gè)同位素組成：,釷由兩同位素組成： 232th100% m=232.038

3、050 230th0.0005%,pb同位素主要由4個(gè)同位素組成： 204pb 1.4% 203.973029 206pb 24.1% 205.974449 207pb 22.1% 206.975881 208pb 52.4% 207.976636 其中206pb、207pb、208pb為穩(wěn)定同位素，分別為238u、235u、232th放射性形成的同位素子體同位素。204pb因無對(duì)應(yīng)的放射性同位素母體，故不屬于放射成因同位素。 除上述同位素外，還有短命的210pb、211pb、212pb和214pb，均是th、u衰變過程中間產(chǎn)物，半衰期非常短暫。,u-th-pb同位素體系,u-th-pb同位素

4、體系,u、th放射性衰變方程及參數(shù),u-th-pb同位素體系,u-th-pb定年的原理,由于u-th-pb體系可構(gòu)成相互獨(dú)立的衰變體系，原理上對(duì)同一地質(zhì)體進(jìn)行同位素分析，可獲得三個(gè)獨(dú)立的年齡值。如所分析樣品符合等時(shí)線前提，238u-206pb、235u-207pb、232th-208pb體系應(yīng)該給出一致的年齡（相對(duì)誤差小于或等于10%）；然而，由于u、pb的易活動(dòng)性，在風(fēng)化作用和低級(jí)變質(zhì)作用，?？蓪?dǎo)致體系u-pb同位素組成不能保持封閉，往往得不到一致年齡，因此用等時(shí)線法成功獲得有意義年齡的實(shí)例相對(duì)有限。,u-th-pb同位素體系,成功實(shí)例：加拿大珊瑚碳酸鹽u-pb等時(shí)線年齡。所獲的等時(shí)線年齡與

5、約375- 385 myr的地層年齡相近。但圖中的空心符號(hào)代表的樣品發(fā)生了不同程度的體系開放。,smith and farquhar (1989),古土壤風(fēng)化殼中碳酸鹽表殼可起到類似混凝土作用，使體系內(nèi)元素活動(dòng)性降低，可供進(jìn)行地層界線精確定年。,實(shí)例： 右圖為美國(guó)懷俄明州granite mountains 巖基全巖238u-206pb等時(shí)線圖。由于已知巖體的形成時(shí)間為2.82ga，圖中所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不沿該等時(shí)線分布，而是顯示出不同程度的低238u/204pb比值，即樣品發(fā)生了明顯的u丟失，而無法給出正確的年齡值。,rosholt and bartel (1969),u-th-pb同位素體系,普

6、通pb-pb法,對(duì)定年基本方程分別進(jìn)行變換，則：,（1）,（2）,（3）,235u/238u同位素比值是常數(shù)：235u/238u=1/137.88,由于u、pb的活動(dòng)性較強(qiáng)，而th4+的地球化學(xué)性質(zhì)與u4+相似，已形成的巖石和礦物難免受到后期地質(zhì)作用的影響，造成母、子體核素不同程度的丟失（或獲得），破壞了體系的封閉性，導(dǎo)致測(cè)定的四個(gè)年齡數(shù)據(jù)不一致，而且經(jīng)常存在t208t206t207t206/207的順序。 如果引起不一致年齡的原因主要是不同子體的丟失程度不同，這時(shí)t206/207年齡最接近礦物結(jié)晶年齡。因?yàn)?07pb和206pb化學(xué)性質(zhì)極相似，故丟失率也較一致，這一年齡值可消除因pb丟失產(chǎn)生

7、的誤差。,u-th-pb同位素體系,6,u-th-pb同位素體系,美國(guó)懷俄明州granite mountains 巖基pb-pb等時(shí)線,加拿大魁北克寄主cu-zn硫化物礦床的火山巖全巖的pb同位素組成，形成了較高質(zhì)量的pb-pb等時(shí)線。,u-th-pb同位素體系,普通pb-pb法的特點(diǎn),(1)無須測(cè)定樣品中u、pb含量； (2)不涉及母/子體同位素比值項(xiàng)，故接近現(xiàn)代發(fā)生的u丟失事件（如近期風(fēng)化淋濾）對(duì)該方法不造成嚴(yán)重影響,可以最大限度地避免由于鉛丟失帶來的年齡誤差。 (3)pb-pb等時(shí)線截距無明確地質(zhì)意義，若無其它條件的進(jìn)一步限定，難以獲得其準(zhǔn)確的初始比值。 (4)u、th礦物（主要為一些穩(wěn)

8、定的重礦物）是u-th-pb法定年的主要研究對(duì)象，如：鋯石、斜鋯石、獨(dú)居石、榍石、磷灰石、瀝清鈾礦、晶質(zhì)鈾礦、釷石等。,u-th-pb同位素體系,諧和曲線（一致曲線）,若礦物(如鋯石、榍石等)形成時(shí)，只含有放射性元素u、th，而不含子體元素pb。礦物形成后，若其u-pb同位素體系保持封閉，則經(jīng)歷一定衰變過程后，206pb*/238u和207pb*/235u將給出諧和的年齡t，即由礦物的兩組pb/u比值計(jì)算出相同的年齡。將所有諧和年齡點(diǎn)作圖，由這些點(diǎn)組成的軌跡稱為諧和曲線(concordia)。,假如礦物形成于3.0ga，則其具諧和年齡的207pb/235u、 206pb/238u比值將分別為1

9、8.1902和0.59249,諧和曲線,如果樣品鉛丟失或鈾獲得，則坐標(biāo)點(diǎn)落在一致曲線下方; 如果樣品鉛獲得或鈾丟失，則坐標(biāo)點(diǎn)落在一致曲線上方. 若樣品形成后丟失部分放射成因鉛，隨后又封閉，那么一組經(jīng)歷相同的樣品，在207pb*/ 235u和 206pb*/ 238u為橫縱坐標(biāo)的圖上的數(shù)據(jù)點(diǎn)就構(gòu)成了一條直線，即不一致線。,不一致線與一致曲線相交于兩點(diǎn):上交點(diǎn)為樣品形成的年齡,下上交點(diǎn)為次生事件的年齡.,u-pb concordia diagram showing the concordia line calibrated in myr, and a discordia line generate

10、d by variable pb loss from 2700 myr-old u-rich minerals of zimbabwe (rhodesia). after wetherill (1956a).,研究實(shí)例：wetherill于1956年發(fā)現(xiàn)津巴布韋鈾礦地質(zhì)體中的獨(dú)居石和鈾礦u-pb組成形成典型的不一致線，其上下交點(diǎn)分別為2700ma和500ma，代表了地質(zhì)的形成時(shí)代和后期熱事件發(fā)生的時(shí)間。,u-th-pb同位素體系,pb同位素地球化學(xué),pb同位素組成變化取決于衰變物質(zhì)組成 pb同位素質(zhì)量數(shù)較大，加之pb同位素之間的質(zhì)量數(shù)相對(duì)差異較小，因此任何物理化學(xué)條件引起pb同位素的分餾作用極

11、小，可忽略不計(jì)，引起pb同位素組成變化的主要原因是放射性u(píng)和th的衰變。 pb同位素組成隨時(shí)間演化逐漸增長(zhǎng) 在pb同位素中，204pb是非放射成因同位素，而206pb、207pb、208pb是放射成因同位素，它們隨時(shí)間的演化不斷積累，導(dǎo)致206pb/204pb、207pb/204pb和208pb/204pb比值逐漸增長(zhǎng)，而pb的母體同位素238u、235u和232th 的原子數(shù)不斷降低。,u-th-pb同位素體系,pb同位素分類,不同對(duì)象：巖石鉛、礦石鉛和單礦物鉛 不同演化：放射成因鉛、普通鉛 不同來源：原生鉛、原始鉛、初始鉛、混合鉛,u-th-pb同位素體系,pb同位素地球化學(xué),1. 放射性

12、成因鉛：由238u, 235u, 232th放射性衰變所產(chǎn)生的206pb, 207pb, 208pb； 2. 普通鉛：指在u/pb，th/pb比值低的礦物和巖石中任何形式的鉛（如方鉛礦、黃鐵礦、鉀長(zhǎng)石等），記錄了礦物形成時(shí)的鉛同位素組成。 區(qū)別：放射性成因的鉛同位素組成變化主要發(fā)生在礦物結(jié)晶之后；而普通鉛同位素成分的變化主要發(fā)生在礦物結(jié)晶之前。,正常鉛：普通鉛中的一類，指在一個(gè)u-th-pb系統(tǒng)中演化的鉛，又叫單階段鉛。 異常鉛：普通鉛中的一類，為體系多次開放，在一個(gè)以上u-th-pb系統(tǒng)中演化的鉛，又叫多階段鉛。,3.原生鉛：地球物質(zhì)形成之前在宇宙原子核合成過程中與其他元素同時(shí)形成的鉛； 4

13、.原始鉛：地球形成最初時(shí)刻的鉛，相當(dāng)于原生鉛加上原子核合成作用完成至地球剛形成之間所積累的放射性成因鉛； 5.初始鉛：指礦物和巖石結(jié)晶時(shí)進(jìn)入礦物和巖石中的鉛，其鉛同位素組成等于原始鉛同位素組成加上從地球形成到巖石、礦物結(jié)晶這段時(shí)間積累起來的放射成因鉛； 6.混合鉛：由兩個(gè)以上不同u/pb、th/pb比值的體系混合而成的鉛,幾種類型鉛的歸納對(duì)比圖,u-th-pb同位素體系,pb同位素示蹤,由于礦石pb或稱普通pb的同位素組成往往與形成環(huán)境或巖石圈屬性有關(guān)，因而在現(xiàn)代地球化學(xué)的實(shí)踐中，（普通）pb同位素組成已成為研究地殼地幔演化及相互作用過程地球化學(xué)示蹤的重要手段。,doe和zartman(197

14、9)根據(jù)板塊構(gòu)造理論將pb同位素演化劃分為三個(gè)儲(chǔ)庫(kù)，即上地殼、下地殼和上地幔，即深度小于500km的地球物質(zhì)。以400ma為地球造山作用單位時(shí)間間隔，根據(jù)殼-幔u-th-pb的含量，計(jì)算出造山帶pb同位素的演化(生長(zhǎng))曲線。,構(gòu)造pb演化模型(plumbotectonics model )地殼與地幔庫(kù)混合進(jìn)行造山作用( after doe and zartman (1979) ),1、鉛同位素演化與構(gòu)造環(huán)境pb構(gòu)造模型,箭頭表示地幔、上地殼和下地殼三儲(chǔ)集層中的物質(zhì)向造山帶傳輸,按構(gòu)造pb演化模型計(jì)算出的殼-幔端元及造山帶pb同位素演化生長(zhǎng)曲線。應(yīng)用時(shí)可根據(jù)樣品的pb同位素組成在圖上的位置，判別

15、其成巖成礦物質(zhì)來源及形成的構(gòu)造環(huán)境等。,206pb/204pb的比值可以記錄板塊之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系,測(cè)定秦嶺地區(qū)燕山期某花崗巖中鉀長(zhǎng)石206pb/204pb比值為17.24；同一地區(qū)早古生代（432ma）侵入巖中鉀長(zhǎng)石中的206pb/204pb的比值為18.55,已知： 華北板塊206pb/204pb=17-18；揚(yáng)子板塊206pb/204pb=18-19,2、鉛同位素對(duì)揭示地幔的不均一性提供了重要佐證,地幔鉛同位素組成的不均一性是普遍、全球性現(xiàn)象： 大洋拉斑玄武巖中獲得的17-18億年左右的 pb-pb等時(shí)線與地幔rb-sr等時(shí)線年齡(16.20億年)較接近，若地幔是均一的，則不可能獲得等時(shí)

16、線表明全球區(qū)域性地幔不均一性可能發(fā)生在17億右； 全球來源于地幔的大洋拉斑玄武巖研究表明，南半球具dupal型異常的高放射成因鉛同位素組成，北半球具較低的放射成因鉛同位素組成。對(duì)這種差異有多種解釋，歐陽(yáng)自遠(yuǎn)（1996）將其歸結(jié)于地球形成時(shí)的原始不均一性。,地幔端元類型 143nd/144nd 87sr/86sr 206pb/204pb 176hf/177hf 虧損地幔（dm） 0.5131 0.5133 0.7020 0.7024 15.5 17.8 0.2831 0.2835 高u/pb值地幔(himu) 0.5128 0.7026 0.7030 21.0 22.0 0.2893 i 型富集

17、地幔(emi) 0.5123 0.5124 0.7045 0.7060 16.5 17.5 0.2826 0.2827 ii型富集地幔(em ii) 0.5127 0.5129 0.707 18.5 19.5 0.2828 流行地幔（prema） 0.5130 0.7035 18.3 原始地幔(pm) 0.512438 0.7045 17.3517.5 ,各類型地幔端元的同位素組成特征,3、劃分區(qū)域鉛構(gòu)造-地球化學(xué)省,研究表明，不同構(gòu)造塊體鉛同位素組成存在明顯差異，同一塊體內(nèi)鉛同位素組成較為穩(wěn)定鉛同位素塊體效應(yīng)；根據(jù)鉛同位素塊體效應(yīng)，可劃分鉛構(gòu)造地球化學(xué)?。?例如，朱炳泉等（1993）和張理剛

18、等（1993）對(duì)中國(guó)東部大尺度的礦石鉛和花崗巖長(zhǎng)石鉛的同位素地球化學(xué)填圖，將中國(guó)東部劃分為若干個(gè)鉛同位素構(gòu)造地球化學(xué)省，并以此來闡明塊體的大地構(gòu)造屬性。,中國(guó)東部鉛同位素地球化學(xué)省劃分（據(jù)張理剛等，1995）,b,a,c,4、研究巖漿物質(zhì)來源,大別山花崗巖物質(zhì)可能是由上下地殼鉛混合而形成的類地幔鉛為主；蘇魯花崗巖中源區(qū)物質(zhì)中含有更多上地殼物質(zhì),5、對(duì)礦床成因和成礦物質(zhì)來源的指示作用,如果礦石鉛與圍巖（沉積巖或火成巖）鉛的同位素組成相似或模式年齡相近，如果圍巖是沉積巖，則礦床可能屬于同生沉積礦床；如果圍巖是火成巖，礦床應(yīng)屬巖漿熱液成因。 如果礦石鉛與成礦圍巖具有明顯不同的鉛同位素組成，則礦質(zhì)來源與圍巖無關(guān)，而是由成礦熱液從其它源區(qū)搬運(yùn)而來。 對(duì)于成礦物質(zhì)為多來源的礦床，其礦石鉛的同位素組成應(yīng)是各種來源物質(zhì)的混合，對(duì)此可進(jìn)行兩端元或多端元的混合模式計(jì)算，確定各組成端元的混合比例。,例：美國(guó)科羅拉多州北部漢斯峰