同位素地球化學(xué)11

1、第七章第七章 其它長壽命固體放射性同位素定年法其它長壽命固體放射性同位素定年法7.1 Lu-Hf系統(tǒng)系統(tǒng) 镥作為最重的稀土元素镥作為最重的稀土元素(REE)位于鑭素元素的最后。它有位于鑭素元素的最后。它有175Lu和和176Lu兩個(gè)同位素，其相應(yīng)的豐度分別為兩個(gè)同位素，其相應(yīng)的豐度分別為97.4%和和2.6%。176Lu表現(xiàn)出分支的同量異位素衰變，通過表現(xiàn)出分支的同量異位素衰變，通過- -衰變成衰變成176176HfHf；通；通過電子捕獲成為過電子捕獲成為176176YbYb。然而后者在大部分總活度中僅占百分之。然而后者在大部分總活度中僅占百分之幾并可忽略不計(jì)幾并可忽略不計(jì)(Dixon(Dix

2、on等，等，1954)1954)。176176HfHf在放出在放出射線后處于射線后處于激發(fā)態(tài)，并通過放出激發(fā)態(tài)，并通過放出射線衰變到基態(tài)。它是鉿的六個(gè)同位素射線衰變到基態(tài)。它是鉿的六個(gè)同位素之一，占總鉿的之一，占總鉿的5.2%5.2%。鉿并不是稀土元素但在晶體化學(xué)行為上。鉿并不是稀土元素但在晶體化學(xué)行為上非常類似于非常類似于ZrZr。衰變過程是：衰變過程是：1761767171LuLu 1761767272Lu+Lu+- -+ +Q+Q得到衰變方程：得到衰變方程：1176176176tIeLuHfHf7.1通常各項(xiàng)除以通常各項(xiàng)除以177177Hf:Hf:1177176177176177176t

3、IeHfLuHfHfHfHf7.2 Patchett Patchett和和Tatsumoto(1980b)Tatsumoto(1980b)對已知年齡為對已知年齡為4550Ma4550Ma的一套的一套eucriteeucrite隕石作出了第一條隕石作出了第一條Lu-HfLu-Hf等時(shí)線。從這他們便能計(jì)算出等時(shí)線。從這他們便能計(jì)算出176176LuLu的衰變常數(shù)和其增生時(shí)內(nèi)太陽系的初始的衰變常數(shù)和其增生時(shí)內(nèi)太陽系的初始176176Hf/Hf/177177HfHf比值。他比值。他們最初的十點(diǎn)全巖等時(shí)線通過加入另外三個(gè)點(diǎn)們最初的十點(diǎn)全巖等時(shí)線通過加入另外三個(gè)點(diǎn)(Tatsumoto(Tatsumoto等

4、，等，1981)1981)得到改善并得到得到改善并得到35.735.71.2Ga1.2Ga的半衰期的半衰期( (相當(dāng)于衰變常數(shù)為相當(dāng)于衰變常數(shù)為1.941.940.070.071010-11-11a a-1-1) )和和0.279780.279789(29(2) )的初始的初始176176Hf/Hf/177177HfHf比值。比值。7.1 La-CeLa-Ce和和La-BaLa-Ba系統(tǒng)系統(tǒng) 138138LaLa表現(xiàn)出分枝衰變，通過表現(xiàn)出分枝衰變，通過衰變成為衰變成為138138CeCe，通過電子捕獲，通過電子捕獲成為成為138138BaBa。La-CeLa-Ce衰變圖是一潛在有用的同位素示蹤

5、體，而衰變圖是一潛在有用的同位素示蹤體，而La-La-BaBa衰變圖可形成有用的地質(zhì)年代計(jì)，但它們的應(yīng)用由其母體同衰變圖可形成有用的地質(zhì)年代計(jì)，但它們的應(yīng)用由其母體同位素的代豐度位素的代豐度( (天然鑭的天然鑭的0.089%)0.089%)和其非常長的半衰期和其非常長的半衰期( (在兩個(gè)分在兩個(gè)分枝中總體超過枝中總體超過100Ga)100Ga)一直大受阻礙。然而，兩種方法近來已被一直大受阻礙。然而，兩種方法近來已被應(yīng)用到地質(zhì)問題。應(yīng)用到地質(zhì)問題。 除了上面涉及的一般問題外，除了上面涉及的一般問題外，LaLa衰變常數(shù)的計(jì)數(shù)測定受到衰變常數(shù)的計(jì)數(shù)測定受到所發(fā)射粒子的低能量阻礙。因此，早期測定，特別

6、是所發(fā)射粒子的低能量阻礙。因此，早期測定，特別是分枝衰分枝衰變，是離散的。為克服此問題變，是離散的。為克服此問題, ,計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際測量產(chǎn)物核素異構(gòu)計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際測量產(chǎn)物核素異構(gòu)體體( (激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)) )的的衰變，而不是同量異位衰變過程本身。衰變，而不是同量異位衰變過程本身。 計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步復(fù)雜化是計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步復(fù)雜化是LaLa2 2O O3 3的吸濕性，在此類研究中的吸濕性，在此類研究中通常使用此物質(zhì)。轉(zhuǎn)換成氫氧化物或碳酸鹽分別導(dǎo)致增重通常使用此物質(zhì)。轉(zhuǎn)換成氫氧化物或碳酸鹽分別導(dǎo)致增重17%17%和和2.5%2.5%。，但是對。，但是對LaLa在在1212個(gè)近期計(jì)數(shù)測定中有個(gè)近期計(jì)數(shù)測定中

7、有1010個(gè)個(gè), ,沒有報(bào)告不穩(wěn)沒有報(bào)告不穩(wěn)定數(shù)據(jù)定數(shù)據(jù)(Tanaka(Tanaka和和Masuda,1982)Masuda,1982)。然而，盡管在絕對值上有大的。然而，盡管在絕對值上有大的變化，自變化，自19701970年以來對年以來對/ /電子捕獲衰常數(shù)比的計(jì)數(shù)測定接近電子捕獲衰常數(shù)比的計(jì)數(shù)測定接近0.510.51。另外，近來對無水氧化。另外，近來對無水氧化LaLa的兩個(gè)計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)分別得到的兩個(gè)計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)分別得到2.292.291010-12-12和和2.222.221010-12-12的的衰變常數(shù)平均值衰變常數(shù)平均值(Sato(Sato和和HiroseHirose，19811981；Nor

8、manNorman和和NelsonNelson，1983)1983)。La-CeLa-Ce系統(tǒng)是應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)中系統(tǒng)是應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)中此兩個(gè)方法中的第一個(gè)，但因?yàn)榇藘蓚€(gè)方法中的第一個(gè)，但因?yàn)長a-BaLa-Ba的情況更簡單，首先討論的情況更簡單，首先討論La-BaLa-Ba法。法。一、一、La-BaLa-Ba地質(zhì)年代學(xué)地質(zhì)年代學(xué) 138Ba，138La電子捕獲衰變的子體，也是鋇最豐富的同位素，電子捕獲衰變的子體，也是鋇最豐富的同位素，在該天然元素占在該天然元素占88%。因此，根據(jù)母體核素的低豐度，。因此，根據(jù)母體核素的低豐度，138Ba豐豐度的明顯變化僅郵于富度的明顯變化僅郵于富REE并貧并貧Ba

9、的礦物中。的礦物中。Nakai等等(1986)對對來自前寒武紀(jì)巖石的綠簾石、褐簾石和榍石作了首次地質(zhì)測定來自前寒武紀(jì)巖石的綠簾石、褐簾石和榍石作了首次地質(zhì)測定(圖圖1)。Nakai等將等將138Ba比比137Ba得到如下的衰變方程：得到如下的衰變方程：1.137138137138137138ttotalCEItotaleBaLaBaBaBaBa7.3Ba同位素分析標(biāo)準(zhǔn)化至同位素分析標(biāo)準(zhǔn)化至136Ba/137Ba等于等于0.6996。 Nakat等發(fā)現(xiàn)所有分析的全巖樣品具等發(fā)現(xiàn)所有分析的全巖樣品具6.3897誤差范圍內(nèi)的初始誤差范圍內(nèi)的初始138Ba/137Ba比值，是由于所有這類物質(zhì)具有非常低

10、的比值，是由于所有這類物質(zhì)具有非常低的138La/137Ba比值所致。因?yàn)槿珟r系統(tǒng)的比值所致。因?yàn)槿珟r系統(tǒng)的Ba同位素比值在地質(zhì)時(shí)間內(nèi)有效不同位素比值在地質(zhì)時(shí)間內(nèi)有效不變，變，La-Ba礦物件年齡能簡單地根據(jù)一個(gè)或更多富礦物件年齡能簡單地根據(jù)一個(gè)或更多富La礦物分析得礦物分析得出。利用出。利用Sato和和Hirose (1981)測定的測定的4.4410-12a-1電子捕獲衰變電子捕獲衰變常數(shù)，常數(shù)，Nakai等獲得了來自等獲得了來自Mustikkamaki (芬蘭芬蘭)一個(gè)偉晶巖和來一個(gè)偉晶巖和來自西格陵蘭自西格陵蘭Amitsoq片麻巖很好吻合的片麻巖很好吻合的La-Ba與與Sm-Nd年齡。

11、年齡。圖圖1 西格陵蘭西格陵蘭Amitsoq片麻巖樣品的片麻巖樣品的La-Ba等時(shí)線圖等時(shí)線圖二、二、La-Ce地質(zhì)年代學(xué)地質(zhì)年代學(xué) La電子捕獲衰變分枝計(jì)數(shù)與地質(zhì)測定間的相當(dāng)一致并沒有與電子捕獲衰變分枝計(jì)數(shù)與地質(zhì)測定間的相當(dāng)一致并沒有與衰變到鈰的分枝衰變相伴。該分枝被大得多的分析問題所困衰變到鈰的分枝衰變相伴。該分枝被大得多的分析問題所困繞，但有更多的地質(zhì)應(yīng)用。繞，但有更多的地質(zhì)應(yīng)用。TanakaTanaka和和Masuda(1982)Masuda(1982)測定了第一測定了第一條條La-CeLa-Ce等時(shí)線，將等時(shí)線，將138138CeCe比上比上142142CeCe并標(biāo)準(zhǔn)化至并標(biāo)準(zhǔn)化至1

12、36136Ce/Ce/142142CeCe比值等比值等于于0.01720.0172。衰變方程是：。衰變方程是：1142138142138142138ttotalItotaleCeLaCeCeCeCe7.4 因?yàn)閮蓚€(gè)分枝衰變的半衰期是如此之長，以致相互幾乎沒有因?yàn)閮蓚€(gè)分枝衰變的半衰期是如此之長，以致相互幾乎沒有影響。例如，簡化方程成：影響。例如，簡化方程成：) 1(142138142138142138tIeCeLaCeCeCeCe7.5僅引起年齡上僅引起年齡上0.5%的過高估計(jì)。的過高估計(jì)。 在在Ce同位素分析中進(jìn)一步遇到的兩個(gè)問題。一是同位素分析中進(jìn)一步遇到的兩個(gè)問題。一是140Ce峰相峰相對

13、于小的對于小的136Ce和和138Ce峰極大峰極大(如如140Ce/136Ce=464.65)。140Ce離子離子束與真空系統(tǒng)中氣體分子的碰撞引起對小峰必須校正其影響的束與真空系統(tǒng)中氣體分子的碰撞引起對小峰必須校正其影響的低質(zhì)量低質(zhì)量(down-mass)峰拖尾。峰拖尾。 第二個(gè)主要問題是第二個(gè)主要問題是138Ba在在138Ce上的同量異位素干擾。上的同量異位素干擾。138Ba比任何其它天然比任何其它天然Ba同位素高同位素高6倍，可用來監(jiān)測倍，可用來監(jiān)測Ba的干擾。因此，的干擾。因此，對對138Ba(即使是接近即使是接近0)的任何干擾校正將使探測器的噪聲放大的任何干擾校正將使探測器的噪聲放大6

14、倍。解決此問題的途徑是以氧化鈰倍。解決此問題的途徑是以氧化鈰(CeO+)的形式分析的形式分析Ce。因?yàn)椤Ｒ驗(yàn)殇^是二價(jià)的，非常不利于鋇是二價(jià)的，非常不利于BaO+形式的存在，因此，如果所有形式的存在，因此，如果所有Ba水平由好的化學(xué)分離保持在低的水平，水平由好的化學(xué)分離保持在低的水平，Ba的干擾可視為的干擾可視為0而不而不作校正。以氧化物形式分析作校正。以氧化物形式分析Ce引入其它的同但異位素干擾問題，引入其它的同但異位素干擾問題，但這可容易由好的化學(xué)分離加以克服。但這可容易由好的化學(xué)分離加以克服。 Tanaka和和Masuda(1982)試圖測定由布什維爾德深成巖體分試圖測定由布什維爾德深成巖

15、體分離出的礦物年齡，但由于離出的礦物年齡，但由于La與與Ce之間的地質(zhì)相似相性，只得到之間的地質(zhì)相似相性，只得到有限范圍的有限范圍的La/Ce比值且等時(shí)線具大的分析誤差。比值且等時(shí)線具大的分析誤差。Masuda等等(1988)進(jìn)一步作了等時(shí)線測定。然而，使用的是由進(jìn)一步作了等時(shí)線測定。然而，使用的是由Sato和和Hirose(1981)獲得的獲得的2.2910-12a-1的的衰變常數(shù)，衰變常數(shù)，La-CeLa-Ce等時(shí)線等時(shí)線給出超出給出超出Sm-NdSm-Nd方法誤差的老年齡。如果方法誤差的老年齡。如果Sm-NdSm-Nd數(shù)據(jù)作為年齡，數(shù)據(jù)作為年齡，那么那么La-CeLa-Ce等時(shí)線斜率可用

16、來測定地質(zhì)衰變常數(shù)。使用布什維爾等時(shí)線斜率可用來測定地質(zhì)衰變常數(shù)。使用布什維爾德的結(jié)果和芬蘭兩個(gè)偉晶巖的礦物等時(shí)線德的結(jié)果和芬蘭兩個(gè)偉晶巖的礦物等時(shí)線( (圖圖2)2)，MasudaMasuda等計(jì)算等計(jì)算的平均的平均衰變常數(shù)為衰變常數(shù)為2.772.771010-12-12a a-1-1，大約比計(jì)數(shù)測定值高，大約比計(jì)數(shù)測定值高20%20%。 為了對為了對LaLa的的衰變常數(shù)作進(jìn)一步的地質(zhì)限制，衰變常數(shù)作進(jìn)一步的地質(zhì)限制，DickinDickin測定測定了蘇格蘭西北劉易斯了蘇格蘭西北劉易斯(Lewisian)(Lewisian)片麻巖全巖的片麻巖全巖的La-CeLa-Ce等時(shí)線。將等時(shí)線。將13

17、8138CeCe比上比上136136CeCe，因?yàn)檫@可得到更易于管理的同位素比值，但對，因?yàn)檫@可得到更易于管理的同位素比值，但對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化因子用于分餾校正。一般認(rèn)為全巖的應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化因子用于分餾校正。一般認(rèn)為全巖的REEREE系統(tǒng)比礦物系統(tǒng)比礦物系統(tǒng)對于校正衰變常數(shù)更優(yōu)，因?yàn)榍罢邔ψ冑|(zhì)重啟動具更大的系統(tǒng)對于校正衰變常數(shù)更優(yōu)，因?yàn)榍罢邔ψ冑|(zhì)重啟動具更大的抵抗性。原始樣品包括兩個(gè)基性麻粒巖和四個(gè)中到酸性的麻粒抵抗性。原始樣品包括兩個(gè)基性麻粒巖和四個(gè)中到酸性的麻粒巖，使用巖，使用SatoSato和和Hirose(1981)Hirose(1981)的衰變常數(shù)，的衰變常數(shù)，2.99Ga2.99Ga的的La

18、-CeLa-Ce等等時(shí)線年齡與其時(shí)線年齡與其2.91Ga2.91Ga的的Sm-NdSm-Nd年齡相吻合。年齡相吻合。 然而，進(jìn)一步對劉易斯片麻巖然而，進(jìn)一步對劉易斯片麻巖Sm-NdSm-Nd系統(tǒng)學(xué)的研究表明系統(tǒng)學(xué)的研究表明DickinDickin分析的樣品由具不同地質(zhì)歷史的兩套樣品構(gòu)成?；云治龅臉悠酚删卟煌刭|(zhì)歷史的兩套樣品構(gòu)成?；云閹r保持著麻巖保持著2.9Ga2.9Ga的地殼形成年齡，而中到酸性片麻巖全巖在的地殼形成年齡，而中到酸性片麻巖全巖在2.60Ga2.60Ga時(shí)受到麻粒巖相變質(zhì)作用而重啟動。使用時(shí)受到麻粒巖相變質(zhì)作用而重啟動。使用SatoSato和和HiroseHirose圖圖2 La-Ce等時(shí)線等時(shí)線 a)Lavbole; b)芬蘭芬蘭Mustikkamaki偉晶巖偉晶巖與Sm-Nd數(shù)據(jù)相結(jié)合表明La的衰變常數(shù)分別為2.710-12、2.930.4110-12a-1的衰變常數(shù)，四個(gè)中到