1、第四章 放射性同位素地球化學(xué),4 U-Th-Pb定年,自然界的U-Th-Pb U-Th-Pb定年 普通Pb定年,一、自然界中的U-Th-Pb,1、U和Th的地球化學(xué)性質(zhì) U和Th都是放射性的錒系元素， U、Th原子序數(shù)分別為92和90。從基性巖到酸性巖，巖石中U、Th含量增高。 自然界中都以4+價(jià)態(tài)存在，離子半徑相似，可以相互置換。地表氧化作用條件下，U、Th容易分離（U6+，UO2+絡(luò)合物，易溶于水；Th沒有價(jià)態(tài)變化，氧化物難溶水）。,鈾和釷在在地幔中的豐度很低。這是由于在地質(zhì)發(fā)展過程中地殼和上地幔產(chǎn)生地球化學(xué)分異，鈾釷則富集于地殼、特別是花崗巖中。,在常見的硅酸鹽造巖礦物中，鈾釷濃度均低，

2、而他們主要集中在一些副礦物中，如瀝青鈾礦、方釷石、鋯石、褐簾石、獨(dú)居石、磷釔礦和屑石中。,在部分熔融和巖漿結(jié)晶分異過程中，U、Th濃集于液相并進(jìn)入富Si產(chǎn)物；,鈾礦,釷石,2、U和Th的同位素組成,U的同位素都具天然放射性，自然界有6個(gè) 238U 99.2740 235U 0.7204 234U 0.0057 233U、236U和237U豐度很低,在地質(zhì)年代學(xué)上有意義的是238U，235U和234U；與U-Pb計(jì)年有關(guān)的是238U和235U，其半衰期分別T1/2=4.4683109年， T1/2=0.70381109年。,研究表明，不同來源含U 物質(zhì)的238U 與235U 現(xiàn) 代 原 子 豐

3、度 比 值 為 一 常 數(shù) ， 即238U/235U=137.88。,Th也有6個(gè)同位素，227Th、228Th、230Th、 231Th、232Th和234Th，它們分屬于鈾系、錒鈾系和釷系，其中以232Th半衰期最長(zhǎng)（T1/2=14.01109年），230Th （T1/2=7.5104年）和228Th（T1/2=7340年）次之，其余均為短壽命同位素。 由于其它同位素含量極微，232Th的實(shí)際豐度接近100。,鈾和釷的衰變常數(shù)分別為：,238=1.5512510-10/年 235=9.8485010-10/年 232=4.947510-10/年,2、Pb的地球化學(xué)性質(zhì),Pb是第五周期第族元

4、素，原子序數(shù)82； 具有兩重性，在巖漿作用階段表現(xiàn)為親氧性，巖漿結(jié)晶時(shí)主要以類質(zhì)同象方式進(jìn)入鉀長(zhǎng)石；在熱液礦脈中形成方鉛礦和鉛硫鹽。 鉛在自然界中最主要的獨(dú)立礦物是方鉛礦，其次是各種硫酸鹽。各種巖石中鉛的含量不一，超基性巖最低，平均0.3ppm，花崗巖最高，平均20ppm。,一些含鉛的礦石,方鉛礦,鉛礬（硫酸鉛）,2、 Pb的同位素組成,Pb有4個(gè)穩(wěn)定同位素：204Pb、206Pb、207Pb和208Pb，這 4個(gè)穩(wěn)定同位素中204Pb是非放射成因的，其余3個(gè)分屬于鈾系、錒鈾系和釷系的最終放射成因子體。,最近研究表明204Pb亦是放射性的，它通過一次衰變而轉(zhuǎn)變?yōu)?00Hg，只不過其半衰期極長(zhǎng)，

5、可以把它看作是穩(wěn)定的。,204Pb、206Pb、207Pb和208Pb的豐度分別是：,1.4，24.1，22.1和52.4,Pb還有4個(gè)放射性同位素：210Pb、211Pb、212Pb和214Pb，它們分屬三個(gè)放射性系列（鈾系、錒鈾系和釷系）的中間子體同位素。4個(gè)放射性同位素在自然界含量極微。 嚴(yán)格說來，自然界，特別是巖石、礦物中的鉛同位素組成，隨著樣品形成時(shí)代和環(huán)境差異而不同。所有放射性衰變體系的子體同位素都具有這一特點(diǎn)。鉛同位素地球化學(xué)研究正是基于這一點(diǎn)。 習(xí)慣上把鉛分成原始鉛、放射成因鉛和普通鉛，其含義如下：,指地球形成的最初時(shí)刻的鉛，其同位素組成,相當(dāng)于原生鉛加上從元素形成到地球形成這

6、 段時(shí)間內(nèi)所積累的由鈾釷衰變而來的放射成 因鉛。,1）原始鉛,鉛類型 測(cè)定對(duì)象,206Pb/ 204Pb,207Pb/ 204Pb,208Pb/204Pb,原始鉛,隕硫鐵,9.307,10.294,29.476,現(xiàn)代鉛 洋底淤泥,18.549,15.681,38.373,把美國亞利亞那州迪亞布洛峽谷隕硫鐵鉛同位素組成作為地球最初時(shí)刻形成鉛，稱為原始鉛；把太平洋底淤泥作為現(xiàn)代鉛。, 地殼中的鉛同位素比值在地球歷史中單向增,長(zhǎng)，其鉛同位素成分的變化是放射鉛不斷加 入到原始鉛的結(jié)果。 代表地殼中尚存的 235U、238U、232Th 整個(gè)地質(zhì)時(shí)期中形 成的放射成因鉛 地殼中原有的原 始鉛,一般意義上

7、是指由鈾、釷放射衰變而形成的 鉛，包括206Pb，207Pb和208Pb。或者，特殊意義上是指在含鈾、釷的礦物巖石體系形成以后由它們衰變而生成的鉛，這是比較習(xí)慣的用法。,2）放射成因鉛,普通鉛的概念不十分明確，一般是指在一個(gè),含鈾、釷的礦物巖石體系中，從周圍介質(zhì)混 入的、不是由體系中鈾、釷衰變的那部分 鉛，同一地質(zhì)環(huán)境中形成的礦物和巖石常常 具有相同的普通鉛同位素組成。,3）普通鉛,從廣泛的意義上講，原始鉛也是一種普通,鉛。一個(gè)不含鈾、釷或U/Pb， Th/Pb比很低的礦物巖石形成時(shí)刻所具有的 鉛也稱為普通鉛，這個(gè)體系形成后就不發(fā) 生鉛同位素的演化，因?yàn)椴淮嬖谀阁w元 素，如方鉛礦和長(zhǎng)石中的鉛就

8、是普通鉛。,1、計(jì)年原理: 自然界238U、235U和232Th將發(fā)生如下核衰變：, ,238U8+6+206Pb 235U7+4+207Pb, 232Th6+4+208Pb 206Pb、207Pb、208Pb是這些放射性衰變系列 的最終子體。,二、U-Pb定年,若三個(gè)獨(dú)立的年齡值相互吻合（相對(duì)誤差10），則該年齡稱為一致年齡(concordant age )。,難點(diǎn),一般情況下，很難得到樣品的一致年齡(concordant age)，主要原因有： 1）U在氧化條件下為活動(dòng)元素，在化學(xué)風(fēng)化過程中易丟失（lost); 2)放射性衰變過程中形成的粒子破壞礦物晶格，造成Pb以及放射反應(yīng)鏈中形成的其他

9、元素的丟失。例如：210Pb的母體是222Rn（t=3.0d），222Rn是一個(gè)惰性氣體，它通過擴(kuò)散作用從大陸表面進(jìn)入大氣中。,解決方法,特征： 目前，地球、月球、火星及各種隕石的235U/238U同位素比值是常數(shù)：235U/238U=1/137.88； 2. 該方程式所有的參數(shù)與礦物或巖石的U,Pb含量無關(guān)，只與Pb同位素比值有關(guān)； 3. 方程式的左邊為放射性成因的（207Pb/206Pb）*，即：,該方程無法求解t；,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)

10、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)生的誤差。,例題,已知：U=792.1ppm; Th=318.6ppm; Pb=208.2ppm; Pb同位素組成：204Pb=0.048%(atom);206Pb=80.33%; 207Pb=9.00%; 208Pb=10.63% 普通Pb的同位素組成： 204Pb:206Pb:207Pb:208Pb=1.00 : 16

11、.25 : 15.51 : 35.73 8=1.5512510-10 ; 5=9.848510-10 （假定204Pb，206Pb，207Pb，208Pb的原子量為204,206，207,208；235U、238U的原子量分別為235,238；235U/238U=1/137.88）,求t6/8 , t7/5 , t7/6,2、U-Th-Pb定年的條件,由于238U、235U和232Th的半衰期較大，因此U-Th-Pb法一般只適合古老地質(zhì)體的年齡測(cè)定. 該定年法適合于富含Th, U的礦物； 適用的礦物U、Th礦物及富含U、Th的礦物，如瀝青鈾礦、晶質(zhì)鈾礦、釷石、鋯石、獨(dú)居石、榍石、磷灰石等，這些

12、礦物富含U、Th，對(duì)于U、Th、Pb和中間子體的封閉性較好，同時(shí)在各種巖石中分布較普遍。 礦物形成后保持U、Pb封閉體系。 正確的扣除普通鉛。,3、普通Pb的校正,在一個(gè)U/ThPb同位素體系中，或多或少地都會(huì)有普通鉛的存在，事實(shí)上，在對(duì)礦物進(jìn)行鉛同位素組成測(cè)試時(shí)，只要發(fā)現(xiàn)有204Pb的存在，就說明有普通鉛存在。這幾乎沒有例外。因此，準(zhǔn)確的普通鉛扣除，對(duì)于獲得正確的年齡數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的，目前主要采用的辦法是：,1）采用與含放射性鈾、釷礦物共生但不含鈾、,釷的方鉛礦、鉀長(zhǎng)石或其他硫化物中的鉛 作為普通鉛來扣除。, 例如，某花崗巖中鋯石測(cè)得的鉛同位素組 成為：,204Pb=0.048（原子數(shù)），2

13、06Pb=80.33%,207Pb=9.00，208Pb=10.63。 測(cè)得的長(zhǎng)石鉛同位素組成為： 204Pb206Pb207Pb208Pb=1.0016.251 5.5135.73,2） 采用解方程的辦法。,測(cè)定二個(gè)鋯石樣品的鉛同位素組成，假定它 們的初始普通鉛同位素組成相同，可以用消,元法解得(206Pb/204Pb)0等。,何種方法確定初始鉛同位素組成，都有偏差，其大小對(duì)U、Th-Pb年齡的影響視樣品中普通鉛(204Pb)含量大小而異。 在現(xiàn)行U-Pb年齡測(cè)定結(jié)果報(bào)告單中： 206Pb/204Pb 1000，表明樣品中普通鉛含量少，放射成因鉛占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 206Pb/204Pb 100，

14、指示樣品中普通鉛含量很高，放射成因鉛比例較低。 年輕樣品必須要求有很高的206Pb/204Pb值：1000以上，最低也得要求達(dá)到幾百。,4、鈾/釷-鉛不一致年齡處理,（1）鈾-鉛協(xié)和圖,為了排除Pb或U丟失引起的測(cè)年誤差，Ahrens (1955)和Wetherill(1956)提出了協(xié)和曲線法（Wetherill Condordia）,理論上，對(duì)于任一給定的t，總對(duì)應(yīng)于一個(gè)確定207Pb*/235U和206Pb*/238U值，選擇不同的t，則在以206Pb*/238U為縱坐標(biāo)、以207Pb*/235U為橫坐標(biāo)的圖解上可以得到一條連續(xù)的曲線。 這條曲線稱為諧和曲線或一致曲線（Concordia

15、 Curve），圖解稱為諧和圖。,U-Pb一致曲線, 這種圖解方法最初是由Wethrill在1956年,提出來的，故也稱為Wethrill曲線。, 諧和圖的意義在于對(duì)任一個(gè)U/ThPb保,持封閉的體系，其206Pb*/238U和,207Pb*/235U兩組年齡必然相同，且落在一 致曲線上；反之，落在一致曲線上的任 何一點(diǎn)、其二組年齡相同。, 實(shí)際上其(207Pb/206Pb)*年齡亦相同。 如果體系在其存在過程中曾發(fā)生過鉛丟 失或鈾獲得，其坐標(biāo)點(diǎn)將落在曲線的下 方。而鈾丟失的樣品將落在曲線上方。 如果發(fā)生了鉛的獲得（實(shí)際上發(fā)生可能 性?。?，由于其同位素組成未知，則無 法進(jìn)行判斷。, 若U/Th

16、Pb體系形成后，在某次地質(zhì)事件 中丟失部分放射成因鉛，隨后又保持封閉 體系，那么對(duì)一組經(jīng)歷同樣地質(zhì)事件、但 放射成因鉛丟失量不同的樣品，在,206Pb*/238U-207Pb*/235U坐標(biāo)圖上構(gòu)成一條直 線，稱為不一致線。, 不一致線上每個(gè)點(diǎn)都具有互不相同的不 一致年齡，它代表了不同的鉛丟失量。, 不一致線和一致曲線有二個(gè)交點(diǎn)，上交 點(diǎn)代表了樣品的形成年齡，下交點(diǎn)表示 這種后期作用時(shí)間年齡。這種方法即為 U-Pb諧和圖法。,U-Pb諧和圖, 諧和圖中的不一致線可由最小二乘法擬合， 其方程為： 206Pb/238U=a(207Pb/235U)+b,y x,即,y=ax+b, 式中a，b分別為直

17、線的斜率和截距。上、下 交點(diǎn)的年齡值可用計(jì)算機(jī)迭代法求解，它們 必須同時(shí)滿足一致曲線方程和不一致曲線方 程。, 這里我們來證明諧和圖的成立。, 設(shè)t為體系的形成時(shí)間；為體系發(fā)生擾 動(dòng)產(chǎn)生子體丟失的后期作用時(shí)間。這種子 體丟失時(shí)間應(yīng)該是插入式或幕式(episodic) 的，即和其存在的時(shí)間相比是短暫的。 時(shí)放射成因子體丟失百分量為n，有 0n1。,（2）不一致年齡的解釋,U/Th-Pb測(cè)年體系的幾組年齡常常不一 致，原因很多，既有內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、 化學(xué)組成等因素影響，又有外界物理化 學(xué)和后期地質(zhì)作用因素的影響?；诜?射成因鉛丟失或后期的加入因素不同， 提出了多種解釋模式：,插入事件模式, 鋯石

18、結(jié)晶后，熱液作用、構(gòu)造變動(dòng)、巖漿活動(dòng)、區(qū)域變質(zhì)作用等短期、瞬時(shí)、階段性的地質(zhì)作用可導(dǎo)致其中鉛的丟失及鈾的加入或丟失。支持實(shí)例較多。, a, 上交點(diǎn)代表鋯石結(jié)晶年齡 b, 下交點(diǎn)代表后期插入事件,連續(xù)擴(kuò)散模式, 礦物晶格內(nèi)部由于輻射破壞而形成一些通 道，放射成因鉛以一定速率持續(xù)緩慢向外 擴(kuò)散，擴(kuò)散速度與礦物粒度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、 擴(kuò)散通道大小及外界物理化學(xué)條件有關(guān)。 數(shù)據(jù)年齡有兩種模式：, a, 鉛丟失是由后期地質(zhì)作用導(dǎo)致，上交 點(diǎn)代表礦物結(jié)晶年齡，下交點(diǎn)變質(zhì)年齡 b, 鉛丟失是由擴(kuò)散作用導(dǎo)致，上交點(diǎn)代,表礦物結(jié)晶年齡，下交點(diǎn)無實(shí)際意義,蝕變作用模式, 當(dāng)蝕變作用發(fā)生時(shí)，不同蝕變程度的樣品,Pb/U比

19、值構(gòu)成一條直線。, a, 上交點(diǎn)代表蝕變程度最弱或?yàn)槲g變樣品,年齡, b, 下交點(diǎn)代表強(qiáng)烈蝕變樣品年齡,5、U/Th-Pb等時(shí)線, U/Th-Pb法要求體系一直保持封閉性，但 大多數(shù)單礦物都有不同程度U、Th、Pb 的丟失或U、Th的加入。利用等時(shí)線方 法可得到較為可靠的年齡。, U/Th-Pb等時(shí)線和銣鍶計(jì)時(shí)所采用的等時(shí) 線的原理和方法完全一樣。一組樣品要 進(jìn)行等時(shí)線處理必需滿足具有形成時(shí)間相同、相同的初始普通鉛同位素組成和保 持母子體的封閉這三個(gè)基本條件。,206Pb/204Pb238U/204Pb，207Pb/204Pb- 235U/204Pb，208Pb/204Pb-232Th/204

20、Pb和 207Pb/204Pb-206Pb/204Pb便構(gòu)成四個(gè)等時(shí)線方 程 ，它們?cè)谧鴺?biāo)圖中呈一條直線。, 上述4個(gè)等時(shí)年齡中，一般說來，由于鈾或 鉛在地質(zhì)作用過程中易發(fā)生丟失，在很多情 況下全巖的U-Pb等時(shí)線是不成功的，有時(shí) 能得到較好的Th-Pb等時(shí)線，而207Pb-206Pb 等時(shí)年齡最為便捷有效，應(yīng)用也最廣泛。 巖石中現(xiàn)有的鉛等于普通鉛與放射成因鉛的,總和，即：,U,Pb,U,Pb, 206Pb=206Pb0+206Pb*=206Pb0+238U(e238t-1) 上式兩邊同除以204Pb得：,Pb Pb,Pb Pb,238 204,206 204,1),238 t,206 ( 2

21、04,)0 ,.(e,Pb Pb,Pb Pb,235 204,207 204,1),235 t,207 ( 204,)0 ,.(e, 同理：,207Pb/204Pb-206Pb/204Pb等時(shí)線,Pb,204,207,Pb,Pb,204,206,Pb 20 18,20,45,55,25,40,35,30,50,16 14 a,b,Murthy和Patteson(1962) 著名的地球Pb-Pb等時(shí)線,456070Ma,地球年齡是455070Ma,207Pb-206Pb等時(shí)線,適用條件是：, 一組樣品同源、同期； 一組樣品有不同的鉛含量； 鉛在后期丟失中沒有207Pb、206Pb的分異且 地質(zhì)歷

22、史過程中無鉛同位素分異。,207Pb-206Pb等時(shí)線的最大優(yōu)點(diǎn)之一便是與U、Th 的后期變化無關(guān)，不需要測(cè)U、Th含量而只要測(cè) 定鉛同位素。, 此外， 207Pb-206Pb等時(shí)線 是否通過現(xiàn)代鉛 點(diǎn)是對(duì)其年齡有效性的檢驗(yàn)；否則，只反 映后期疊加作用影響。現(xiàn)代鉛點(diǎn)，即現(xiàn)代 海洋沉積物中鉛同位素比值的交點(diǎn)，其范 圍是：, 206Pb/204Pb=18.60-18.92 207Pb/204Pb=15.60-15.86 207Pb/204Pb=38.43-39.10,6、適于U/Th-Pb測(cè)年的樣品,1）晶質(zhì)鈾礦和瀝青鈾礦, 無變質(zhì)作用發(fā)生時(shí)為最理想礦物，可得 到十分一致的U-Pb和Pb-Pb年齡。但因 為釷為混入物，Th-Pb年齡通常不可靠。,晶質(zhì)鈾礦,瀝青鈾礦, 2）鋯英石, 鋯英石是U/Th-Pb法中應(yīng)用最多的副礦物。,易受變質(zhì)作用影響而引起4個(gè)年齡數(shù)據(jù)的 不一致。通常207Pb-206Pb235U-207Pb 238U-206Pb。, 3）獨(dú)居石,