第四章同位素地球化學4(2012)

1、 第四章第四章 放射性同位素地球化學放射性同位素地球化學# protons# nucl eons2342352 362 37238 238U234Th929190144145146# protons# neutrons# nucl eons2342352 362 37238-decay# protons# nucl eons868 788 87Rb87Sr38374950# protons# neutrons# nucl eons868 788-decay 4 U-4 U-Th-PbTh-Pb定年定年自然界的自然界的U-U-Th-PbTh-PbU-U-Th-PbTh-Pb定年定年普通普通PbP

2、b定年定年一、自然界中的一、自然界中的U-U-TH-PBTH-PB1 1、U U和ThTh的地球化學性質的地球化學性質U U和ThTh都是放射性的錒系元素， U、Th原子序數分別為92和90。從基性巖到酸性巖，巖石中U U、ThTh含量增高。自然界中都以4+價態(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+絡合物，易溶于水；Th沒有價態(tài)變化，氧化物難溶水）。鈾和釷在在地幔中的豐度很低。這是由于在地質發(fā)展過程中地殼和上地幔產生地球化學分異，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，而他們主要集中在一些副礦物中，如瀝青鈾礦、

3、方釷石、鋯石、褐簾石、獨居石、磷釔礦和屑石中。Rock typeU(10-6)Th(10-6)Pb(10-6)Th/UChondrites (球粒隕石)0.010.0414Achondrites (無球粒隕石)0.070.360.45.1Iron meteorites (鐵隕石)0.0080.010.11.2Ultramafic rocks (超鎂質巖)0.0140.050.33.6Gabbro (輝長巖)0.843.82.74.5Basalt (玄武巖)0.431.63.73.7Andesite (安山巖)2.485.83.3Nepheline syenite (霞石正長巖)8.21714.

4、42.1Granitic rocks (花崗質巖石)4.821.5234.5Shale (頁巖)3.211.722.83.7Sandstone (砂巖)1.43.913.72.8Carbonate rocks (碳酸鹽巖)1.91.25.60.63Granitic gneiss (花崗質片麻巖)3.512.919.63.7Granulite (麻粒巖)1.67.218.74.5在部分熔融和巖漿結晶分異過程中，在部分熔融和巖漿結晶分異過程中，U U、ThTh濃集于液相并濃集于液相并進入富進入富Si Si產物；產物；鈾礦釷石2 2、U U和ThTh的同位素組成 U的同位素都具天然放射性，自然界有6

5、個 238U 99.2740 235U 0.7204 234U 0.0057 233U、236U和237U豐度很低 在地質年代學上有意義的是238U238U，235U235U和234U234U；與U-U-PbPb計年有關的是238U238U和235U235U，其半衰期分別T1/2=4.4683T1/2=4.4683109109年， T1/2=0.70381T1/2=0.70381109109年。研究表明，不同來源含U U 物質的238U 238U 與235U 235U 現 代 原 子 豐 度 比 值 為 一 常 數 ， 即238U/235U=137.88238U/235U=137.88。 Th

6、Th也有6 6個同位素，227Th227Th、228Th228Th、230Th230Th、 231Th231Th、232Th232Th和234Th234Th，它們分屬于鈾系、錒鈾系和釷系，其中以232Th232Th半衰期最長（T1/2=14.01T1/2=14.01109109年），230Th 230Th （T1/2=7.5T1/2=7.5104104年）和228Th228Th（T1/2=7340T1/2=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，232Th232Th的實際豐度接近100100。鈾和釷的衰變常數分別為：238=1.5512510-10/年235=9.84

7、85010-10/年232=4.947510-10/年2 2、PbPb的地球化學性質的地球化學性質 PbPb是第五周期第是第五周期第族元素，原子序數族元素，原子序數8282； 具有兩重性，在巖漿作用階段表現為親氧性，巖漿結晶時主要以類質具有兩重性，在巖漿作用階段表現為親氧性，巖漿結晶時主要以類質同象方式進入鉀長石；在熱液礦脈中形成方鉛礦和鉛硫鹽。同象方式進入鉀長石；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立礦物是方鉛礦，其次是各種硫酸鹽。各種鉛在自然界中最主要的獨立礦物是方鉛礦，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，平均巖石中鉛的含量不一，超基性巖最低，平均0

8、.3ppm0.3ppm，花崗巖最高，平，花崗巖最高，平均均20ppm20ppm。一些含鉛的礦石方鉛礦鉛礬（硫酸鉛）2 2、 Pb的同位素組成PbPb有4 4個穩(wěn)定同位素：204Pb204Pb、206Pb206Pb、207Pb207Pb和208Pb208Pb，這 4 4個穩(wěn)定同位素中204Pb204Pb是非放射成因的，其余3 3個分屬于鈾系、錒鈾系和釷系的最終放射成因子體。最近研究表明204Pb204Pb亦是放射性的，它通過一次衰變而轉變?yōu)?00Hg200Hg，只不過其半衰期極長，可以把它看作是穩(wěn)定的。204Pb204Pb、206Pb206Pb、207Pb207Pb和208Pb208Pb的豐度分

9、別是：1.41.4，24.124.1，22.122.1和52.452.4 PbPb還有4 4個放射性同位素：210Pb210Pb、211Pb211Pb、212Pb212Pb和214Pb214Pb，它們分屬三個放射性系列（鈾系、錒鈾系和釷系）的中間子體同位素。4 4個放射性同位素在自然界含量極微。嚴格說來，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。鉛同位素地球化學研究正是基于這一點。習慣上把鉛分成原始鉛原始鉛、放射成因鉛放射成因鉛和普通鉛普通鉛，其含義如下：指地球形成的最初時刻的鉛，其同位素組成相當于原生鉛加上從元素

10、形成到地球形成這段時間內所積累的由鈾釷衰變而來的放射成因鉛。1 1）原始鉛鉛類型 測定對象206Pb/ 204Pb207Pb/ 204Pb208Pb/204Pb原始鉛 隕硫鐵9.30710.29429.476現代鉛 洋底淤泥18.54915.68138.373 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刻形成鉛，稱為原始鉛；把太平洋底淤泥作為現代鉛。 地殼中的鉛同位素比值在地球歷史中單向增長，其鉛同位素成分的變化是放射鉛不斷加入到原始鉛的結果。代表地殼中尚存的235U、238U、232Th整個地質時期中形成的放射成因鉛地殼中原有的原始鉛一般意義上是指由鈾、釷放射衰變而形成的鉛

11、，包括206Pb206Pb，207Pb207Pb和208Pb208Pb?；蛘撸厥庖饬x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，這是比較習慣的用法。2 2）放射成因鉛普通鉛的概念不十分明確，一般是指在一個含鈾、釷的礦物巖石體系中，從周圍介質混入的、不是由體系中鈾、釷衰變的那部分鉛，同一地質環(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 3）普通鉛從廣泛的意義上講，原始鉛也是一種普通鉛。一個不含鈾、釷或U/U/PbPb，Th/PbTh/Pb比很低的礦物巖石形成時刻所具有的鉛也稱為普通鉛，這個體系形成后就不發(fā)生鉛同位素的演化，因為不存在母體元素，如方鉛礦和長石中的鉛就是

12、普通鉛。方鉛礦和長石中的鉛就是普通鉛。 1、計年原理: 自然界238U、235U和232Th將發(fā)生如下核衰變：238U8+6+206Pb235U7+4+207Pb 232Th6+4+208Pb 206Pb、207Pb、208Pb是這些放射性衰變系列的最終子體。二、二、U-U-PbPb定年定年 120620420620423820401011/11.55125 10tPbPbPbPbUPbey 220720420720423520401012/19.8485 10tPbPbPbPbUPbey 320820420820423220401113/14.9475 10tPbPbPbPbThPbey 2

13、06204206204062382041/1ln1/PbPbPbPbtUPb 207204207204072352042/1ln1/PbPbPbPbtUPb 208204208204082322043/1ln1/PbPbPbPbtThPb 若三個若三個獨立的年齡獨立的年齡值相互吻合值相互吻合（相對誤差（相對誤差10），則），則該年齡稱為該年齡稱為一致年齡一致年齡(concordant age )。難點難點一般情況下，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元素，在化學風化過程中易丟失（lost);2)放射性衰變過程中形成的粒子破壞礦物晶格，造

14、成Pb以及放射反應鏈中形成的其他元素的丟失。例如：210Pb的母體是222Rn（t=3.0d），222Rn是一個惰性氣體，它通過擴散作用從大陸表面進入大氣中。 12062042062042382040/1tPbPbPbPbUPbe 22072042072042352040/1tPbPbPbPbUPbe解決方法解決方法 2120720420720423502382062042062040/11/ttPbPbPbPbUeUePbPbPbPb 2120720420720423502382062042062040/11/ttPbPbPbPbUeUePbPbPbPb特征：特征：1. 目前，地球、月球、火

15、星及各種隕石的目前，地球、月球、火星及各種隕石的235U/238U同同位素比值是常數：位素比值是常數：235U/238U=1/137.88；2. 該方程式所有的參數與礦物或巖石的該方程式所有的參數與礦物或巖石的U,Pb含量無關含量無關，只與，只與Pb同位素比值有關；同位素比值有關；3. 方程式的左邊為放射性成因的（方程式的左邊為放射性成因的（207Pb/206Pb）*，即：即： *20720420720420702062062042062040/PbPbPbPbPbPbPbPbPbPb該方程無法求解t； 2120720420720423502382062042062040/11/ttPbPbP

16、bPbUeUePbPbPbPb221002210011*23522381( )( )limlim( )( )1limlim1ttttttttf tftg tg teeeeUU207206當t=0時：可得：PbPbt, 109ye1t-1e2t-1(207Pb/206Pb)*0.00.00000.00000.046040.20.03150.21770.050120.40.06400.48280.054710.60.09750.80560.059920.80.13211.19870.065811.00.16781.67740.072501.20.20462.26030.080121.40.2426

17、2.97010.088791.60.28173.83440.098721.80.32214.88690.110042.00.36386.16850.122982.20.40677.72920.137832.40.45119.62960.154822.60.496811.94370.174362.80.544014.76170.196803.00.592618.19310.222663.20.642822.37160.252413.40.694627.45970.286723.60.748033.65560.326343.80.803041.20040.372124.00.859950.3878

18、0.424984.20.918561.57520.486234.40.978975.19840.557144.61.041391.78730.63930 由于U、Pb的活動性較強，而Th4+的地球化學性質與U4+相似，已形成的巖石和礦物難免受到后期地質作用的影響，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，導致測定的四個年齡數據不一致，而且經常存在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t206/207年齡最接近礦物結晶年齡。因為207Pb和206Pb化學性質極相似，故丟失率也較一致，這一年齡值可消除因Pb丟

19、失產生的誤差。例題例題已知：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 : 16.25 : 15.51 : 35.738=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

20、）求t6/8 , t7/5 , t7/62 2、U-U-Th-PbTh-Pb定年的條件定年的條件 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體的年齡測定.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、晶質鈾礦、釷石、鋯石、獨居石、榍石、磷灰石等，這些礦物富含U、Th，對于U、Th、Pb和中間子體的封閉性較好，同時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 3、普通、普通PbPb的校正的校正在一個U/U/ThThPbPb同位素體系中，或多或少地都會有普通鉛的存在，事實上

21、，在對礦物進行鉛同位素組成測試時，只要發(fā)現有204Pb204Pb的存在，就說明有普通鉛存在。這幾乎沒有例外。因此，準確的普通鉛扣除，對于獲得正確的年齡數據是至關重要的，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，某花崗巖中鋯石測得的鉛同位素組成為：204Pb=0.048（原子數），206Pb=80.33% 207Pb=9.00，208Pb=10.63。 測得的長石鉛同位素組成為：204Pb206Pb207Pb208Pb=1.0016.2515.5135.73 2 2） 采用解方程的辦法。 測定二個鋯石樣品的鉛同

22、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)(206Pb/204Pb)0 0等。l 何種方法確定初始鉛同位素組成，都有偏差，其大小對何種方法確定初始鉛同位素組成，都有偏差，其大小對U U、Th-PbTh-Pb年齡的影響視樣品中普通鉛年齡的影響視樣品中普通鉛( (204204Pb)Pb)含量大小而異。含量大小而異。l在現行在現行U-U-PbPb年齡測定結果報告單中：年齡測定結果報告單中：l206206Pb/Pb/204204Pb 1000Pb 1000，表明樣品中普通鉛含量少，放射成因，表明樣品中普通鉛含量少，放射成因鉛占絕對優(yōu)勢。鉛占絕對優(yōu)勢。l20

23、6206Pb/Pb/204204Pb 100Pb 100，指示樣品中普通鉛含量很高，放射成，指示樣品中普通鉛含量很高，放射成因鉛比例較低。因鉛比例較低。l 年輕樣品必須要求有很高的年輕樣品必須要求有很高的206206Pb/Pb/204204PbPb值：值：10001000以上，最低以上，最低也得要求達到幾百。也得要求達到幾百。4 4、鈾鈾/ /釷釷- -鉛不一致年齡處理鉛不一致年齡處理（1 1）鈾）鈾- -鉛協和圖鉛協和圖 為了排除Pb或U丟失引起的測年誤差，Ahrens (1955)和Wetherill(1956)提出了協和曲線法（Wetherill Condordia） 120620420

24、62042382040/1tPbPbPbPbUPbe 22072042072042352040/1tPbPbPbPbUPbe 12062042062042060238204238/*1/tPbPbPbPbPbeUPbU 22072042072042070235204235/*1/tPbPbPbPbPbeUPbU 理論上，對于任一給定的t t，總對應于一個確定207Pb207Pb* */235U/235U和206Pb206Pb* */238U/238U值，選擇不同的t t，則在以206Pb206Pb* */238U/238U為縱坐標、以207Pb207Pb* */235U/235U為橫坐標的圖解

25、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 CurveConcordia 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任一個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、其二組年齡相同。 實際上其(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，其坐標點將落在曲線的下方。而鈾丟失的樣品將落在曲線上方。如果發(fā)生了鉛的

26、獲得（實際上發(fā)生可能性小），由于其同位素組成未知，則無法進行判斷。 若U/ThPb體系形成后，在某次地質事件中丟失部分放射成因鉛，隨后又保持封閉體系，那么對一組經歷同樣地質事件、但放射成因鉛丟失量不同的樣品，在206Pb*/238U-207Pb*/235U坐標圖上構成一條直線，稱為不一致線。 不一致線上每個點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交點，上交點代表了樣品的形成年齡，下交點表示這種后期作用時間年齡。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)+

27、by x即y=ax+b 式中a，b分別為直線的斜率和截距。上、下交點的年齡值可用計算機迭代法求解，它們必須同時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t為體系的形成時間；為體系發(fā)生擾動產生子體丟失的后期作用時間。這種子體丟失時間應該是插入式或幕式(episodic)的，即和其存在的時間相比是短暫的。時放射成因子體丟失百分量為n，有0n1。（2）不一致年齡的解釋不一致年齡的解釋 U/Th-PbU/Th-Pb測年體系的幾組年齡常常不一致，原因很多，既有內部結構、構造、化學組成等因素影響，又有外界物理化學和后期地質作用因素的影響?；诜派涑梢蜚U丟失或后期的加入因素不同，提

28、出了多種解釋模式：插入事件模式插入事件模式 鋯石結晶后，熱液作用、構造變動、巖漿活動、區(qū)域變質作用等短期、瞬時、階段性的地質作用可導致其中鉛的丟失及鈾的加入或丟失。支持實例較多。 a, 上交點代表鋯石結晶年齡 b, 下交點代表后期插入事件連續(xù)擴散模式 礦物晶格內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)緩慢向外擴散，擴散速度與礦物粒度、結構構造、擴散通道大小及外界物理化學條件有關。數據年齡有兩種模式： a, 鉛丟失是由后期地質作用導致，上交點代表礦物結晶年齡，下交點變質年齡 b, 鉛丟失是由擴散作用導致，上交點代表礦物結晶年齡，下交點無實際意義蝕變作用模式 當蝕變作用發(fā)生時，不同蝕

29、變程度的樣品Pb/U比值構成一條直線。 a, 上交點代表蝕變程度最弱或為蝕變樣品年齡 b, 下交點代表強烈蝕變樣品年齡5、U/Th-Pb等時線 U/Th-Pb法要求體系一直保持封閉性，但大多數單礦物都有不同程度U、Th、Pb的丟失或U、Th的加入。利用等時線方法可得到較為可靠的年齡。 U/Th-PbU/Th-Pb等時線和銣鍶計時所采用的等時線的原理和方法完全一樣。一組樣品要進行等時線處理必需滿足具有形成時間相同、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基本條件。206Pb/204Pb238U/204Pb，207Pb/204Pb-235U/204Pb，208Pb/204Pb-232Th

30、/204Pb和207Pb/204Pb-206Pb/204Pb便構成四個等時線方程 ，它們在坐標圖中呈一條直線。 上述4個等時年齡中，一般說來，由于鈾或鉛在地質作用過程中易發(fā)生丟失，在很多情況下全巖的U-Pb等時線是不成功的，有時能得到較好的Th-Pb等時線，而207Pb-206Pb等時年齡最為便捷有效，應用也最廣泛。 巖石中現有的鉛等于普通鉛與放射成因鉛的總和，即：UPbUPb 206Pb=206Pb0+206Pb*=206Pb0+238U(e238t-1) 上式兩邊同除以204Pb得：PbPbPbPb2382042062041)238 t206( 204)0 .(ePbPbPbPb23520

31、42072041)235 t207( 204)0 .(e 同理：207Pb/204Pb-206Pb/204Pb等時線Pb204207PbPb204206Pb201820455525403530501614abMurthy和Patteson(1962)著名的地球著名的地球Pb-Pb等時線等時線456070Ma地球年齡是455070Ma207Pb-206Pb等時線適用條件是： 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的分異且地質歷史過程中無鉛同位素分異。207Pb-206Pb等時線的最大優(yōu)點之一便是與U、Th的后期變化無關，不需要測U、Th含量而只要

32、測定鉛同位素。 此外， 207Pb-206Pb等時線 是否通過現代鉛點是對其年齡有效性的檢驗；否則，只反映后期疊加作用影響。現代鉛點，即現代海洋沉積物中鉛同位素比值的交點，其范圍是： 206Pb/204Pb=18.60-18.92 207Pb/204Pb=15.60-15.86 207Pb/204Pb=38.43-39.106、適于U/Th-Pb測年的樣品 1）晶質鈾礦和瀝青鈾礦 無變質作用發(fā)生時為最理想礦物，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。晶質鈾礦瀝青鈾礦 2）鋯英石 鋯英石是U/Th-Pb法中應用最多的副礦物。易受變質作用影響而引起4個

33、年齡數據的不一致。通常207Pb-206Pb235U-207Pb238U-206Pb。 3）獨居石 獨居石也是U/Th-Pb法測年常用的副礦物之一，其中U、Th含量高，特別是Th元素含量較穩(wěn)定，難于被淋濾，故232Th-208Pb年齡年齡最可靠。 4）磷灰石 該礦物易受化學風化影響，但抗高溫能力強，較鋯英石穩(wěn)定，在U/Th-Pb法測年中越來越受到重視。但磷灰石結晶期間捕獲普通鉛量大，如何正確處理、扣除普通鉛便成為該法關鍵環(huán)節(jié)之一。 5）榍石 榍石是火成巖、變質巖中分布最廣的一種副礦物，角閃石中尤其富集。榍石有時較鋯英石更接近一致年齡，在U/Th-Pb法測年中受到重視。榍石中放射成因鉛量少，精確測定和普通鉛校正尤顯重要。 6）全巖 全巖中U、Th含量一般很低，放射成因鉛少，普通鉛含量高，校正誤差大，直接計算法很難得到正確年齡，但隨分析技術改進，古老巖石中207Pb-206Pb等時年齡逐漸受到重視。三、普通三、普通PbPb定年法（定年法（H-HH-H模式年齡）模式年齡）