南京大學(xué)同位素地質(zhì)學(xué)-13Nd同位素演化-Nd同位素地球化學(xué)(含作業(yè))-1

13Nd同位素演化/Nd同位素地球化學(xué)隕石和整體地球的Nd同位素演化由于147Sm衰變?yōu)?43Nd，地球的143Nd豐度和143Nd/144Nd比值隨時(shí)間增加。這可用一模式來描述，該模式所采用的地球年齡、Sm/Nd比值和地球原始143Nd/144Nd等參數(shù)都是從石隕石研究獲得。許多石隕石的礦物Sm-Nd等時(shí)線年齡測定結(jié)果也在4.55Ga左右，例如:Hametetal.(1978)得到了無球粒隕石Moama的礦物Sm-Nd等時(shí)線年齡4.580.05Ga和原始143Nd/144Nd比值0.506840.00008，此值與球粒隕石值很一致；JacobsenandWasserburg(1981)從AngradosReis隕石獲得年齡4.5620.031Ga，原始143Nd/144Nd比值0.50664；Rb-Sr等時(shí)線年齡偏低的隕石（如Nakhla,Shergotty），Sm-Nd等時(shí)線也給出類似的偏低年齡值(Nakamuraetal.,1982;Shihetal.,1982)(見下面圖、表)證實(shí)這些隕石經(jīng)歷了分異?；鹦菐r石Nakhla和Zagami的礦物Sm－Nd等時(shí)線DePaolo&Wasserburg(1976)首次測定了地球火成巖的Nd同位素組成，當(dāng)他們把火成巖的Nd同位素初始比值(143Nd/144Nd)i對(duì)時(shí)間作圖時(shí)發(fā)現(xiàn):太古代的深成巖的(143Nd/144Nd)i與從隕石獲得的球粒隕石均勻庫（ChondriticUniformReservoir:CHUR）演化線十分一致。因此，地球Nd同位素的演化可以用球粒隕石均一庫模式來描述，該模式假定地球的Nd同位素是在一個(gè)均一的庫中演化，該均一庫的Sm/Nd比值與球粒隕石的相等，其現(xiàn)代同位素組成：147Sm/144Nd=0.1967（五個(gè)球粒隕石和一個(gè)無球粒隕石的多次測定得到的平均值），143Nd/144Nd=0.512638（相對(duì)于146Nd/144Nd=0.7219），(比較：原始Sr同位素-BABI)其它同位素比值見下表。CHUR過去任何時(shí)候的143Nd/144Nd比值可用下式計(jì)算：式中上標(biāo)0表示現(xiàn)在,t表示距今年齡由于147Sm的衰變常數(shù)很小故(et-1)

t,因此CHUR演化線近似于直線與Sm相比，Nd的離子半徑和不相容性較大，故CHUR庫部分熔融產(chǎn)生的巖漿的Sm/Nd比值低于CHUR庫的Sm/Nd比值，在143Nd/144Nd—t圖上，其Nd同位素演化線的斜率小于CHUR演化線的斜率，成為(大陽離子親石元素)相對(duì)富集區(qū)；而部分熔融的殘余固相的Sm/Nd比值高于CHUR庫的Sm/Nd比值，其Nd同位素演化線的斜率大于CHUR演化線的斜率，成為（大陽離子親石元素）相對(duì)虧損區(qū)。將火成巖和變質(zhì)巖的初始143Nd/144Nd比值與其形成時(shí)CHUR的143Nd/144Nd進(jìn)行比較，由于這種差別較小，因此DePaoloandWasserburg(1976)引入了

參數(shù)，其定義如下：式中:(143Nd/144Nd)測定為巖石的測定值，(143Nd/144Nd)0CHUR為CHUR的現(xiàn)代值（0.512638），(143Nd/144Nd)i為巖石的初始值，由全巖等時(shí)線確定，(143Nd/144Nd)tCHUR為巖石形成時(shí)CHUR的值，式中(176Hf/177Hf)測定為巖石的測定值(176Hf/177Hf)0CHUR為CHUR的現(xiàn)代值(0.282772)(176Hf/177Hf)i為巖石的初始值，由全巖等時(shí)線確定(176Hf/177Hf)tCHUR為巖石形成時(shí)CHUR的值此外，(176Lu/177Hf)0CHUR=0.0332(BLichert-Toft&Albarede,1997)

如果巖石的Nd（t）

為正值，則表明其來源于一個(gè)在早期已產(chǎn)生過巖漿所留下的殘余固相庫，這樣的庫虧損那些易于分配進(jìn)入液態(tài)巖漿的大陽離子親石元素，如來源于虧損地幔的洋脊玄武巖的初始143Nd/144Nd高于CHUR。如果巖石的Nd（t）為負(fù)值，則表明它來源于Sm/Nd比值低于CHUR的源區(qū)，這種源區(qū)或者就是古老地殼、或者有古老地殼的加入，因?yàn)楣爬系貧ぴ趶腃HUR庫中分離出來時(shí)，其Sm/Nd比值低于CHUR的。Nd(t)<0Nd(t)=0Nd(t)>0Nd(0)>0Nd(0)<0Nd(0)<0Nd(t)>0CHUR如地殼部分熔融形成的花崗巖的初始143Nd/144Nd一般低于CHUR。如果巖石的Nd（t）為零，即巖石的Nd同位素組成與CHUR的相同，這種巖石可能就直接來源于CHUR庫，也可能由來源于虧損庫的巖漿受到地殼物質(zhì)的混染所致。二、地幔-地殼Nd同位素演化1.地幔的Nd同位素演化玄武巖可由地幔巖石部分熔融形成，因此其同位素組成可能直接反映了其源區(qū)地幔的的同位素組成。與大陸玄武巖漿在上升過程中容易受到大陸地殼的混染相反，大洋玄武巖漿不容易受混染，因此其同位素組成可靠地代表了地幔的值。海洋中大多數(shù)大洋玄武巖的Sm/Nd比值和Nd值大于CHUR的值，表明其源區(qū)地幔是先期部分熔融的殘余。143Nd/144Nd(CHUR)洋脊玄武巖（MORB）Nd＝+101.5143Nd/144Nd=0.51315，147Sm/144Nd=0.2137,(Peucatetal.,1988)，來源于虧損的上地幔；洋島玄武巖（OIB）的Nd值小于MORB的值，一些OIB的Nd值達(dá)到CHUR的值，來源于原始下地幔/地幔源區(qū)受到俯沖物質(zhì)影響；與俯沖帶有關(guān)的洋內(nèi)島弧(IOA)的Nd值介于MORB和OIB之間，少量達(dá)到CHUR的值，其形成與俯沖洋殼(包括部分沉積物)再熔融有關(guān)。洋底玄武巖的年齡只有200Ma，要了解在此之前的地幔的同位素演化，必須在大陸上尋找保存良好的古洋殼（蛇綠巖套）和其它幔源基性-超基性巖石。下圖是這些巖石的初始Nd（t）值，可見它們具有正的Nd（t）值，并且時(shí)代越新Nd（t）值越高，表明大陸上的這些巖石的源區(qū)與現(xiàn)代洋殼巖石的源區(qū)相似。前寒武紀(jì)和古生代幔源巖石的Nd（t）值以及年輕的洋內(nèi)島弧（IOA）和洋島玄武巖（OIB）的Nd（t）值范圍（據(jù)DePaolo,1988簡化）,DM：地幔Nd同位素線性虧損演化模式，DM'：地幔源區(qū)Nd同位素漸進(jìn)虧損演化模式DePaolo(1981)通過美國科羅拉多元古代IdahoSprings組的變質(zhì)紫蘇花崗質(zhì)的麻粒巖和現(xiàn)代洋內(nèi)島弧的Nd同位素組成，擬合出一條二次方程曲線：Nd（t）=0.25t2–3t+8.5該曲線（圖中DM’）代表了鈣堿性幔源巖漿的地幔源區(qū)Nd同位素漸進(jìn)虧損的演化模式。地幔和大陸地殼（頁巖）Nd同位素演化曲線 fromAllegre,2008前寒武紀(jì)和古生代幔源巖石的Nd（t）值以及年輕的洋內(nèi)島?。↖OA）和洋島玄武巖（OIB）的Nd（t）值范圍（據(jù)DePaolo,1988簡化）,DM：地幔Nd同位素線性虧損演化模式，DM'：地幔源區(qū)Nd同位素漸進(jìn)虧損演化模式Goldsteinetal(1984)提出了另一個(gè)模式，即地幔線性虧損Nd同位素演化模式(圖6-7中DM)：地幔的Nd（4.56Ga）=0，Nd（0）=+10，其它時(shí)間的Nd（t）值位于該兩點(diǎn)的連線上該模式與美國西南部和格陵蘭早元古代綠巖帶巖石很好的吻合，但對(duì)島弧環(huán)境的云英閃長質(zhì)巖石不適用，這些巖石的虧損程度相對(duì)較小。這兩個(gè)模式被廣泛地應(yīng)用。前寒武紀(jì)和古生代幔源巖石的Nd（t）值以及年輕的洋內(nèi)島?。↖OA）和洋島玄武巖（OIB）的Nd（t）值范圍（據(jù)DePaolo,1988簡化）,DM：地幔Nd同位素線性虧損演化模式，DM'：地幔源區(qū)Nd同位素漸進(jìn)虧損演化模式地幔Hf同位素演化Nd與Hf同位素成正相關(guān)，說明觀察到的Nd同位素的變化不只是Nd的獨(dú)特特征，Hf同位素也有類似變化，它們遵循共同的規(guī)律2、Sm-Nd模式年齡與地殼增長由于REE的地球化學(xué)性質(zhì)的相似性，地幔（假定相當(dāng)于CHUR）部分熔融產(chǎn)生地殼巖石是引起Sm/Nd比值發(fā)生變化的主要事件，而地殼巖石在中低變質(zhì)作用、乃至剝蝕和沉積作用過程中，其Sm/Nd比值一般不發(fā)生變化（地殼部分熔融、熱液蝕變及高級(jí)變質(zhì)作用例外)。即：由于：在此模式前提下，地殼巖石的Sm-Nd同位素可用來計(jì)算殼-幔分離的模式年齡。殼-幔分離時(shí)(t)，巖石(R)和地幔(假定為CHUR)的Nd同位素組成相同解得：式中t代表殼-幔分離時(shí)間，0代表現(xiàn)在。

=0.512638,=0.1967（Wasserburgetal.,1981）。式中t代表殼-幔分離時(shí)間，0代表現(xiàn)在。

=0.282772,=0.0332Hf模式年齡上地幔Nd同位素演化往往偏離CHUR。因此從已虧損的上地幔中產(chǎn)生的地殼巖石，其模式年齡應(yīng)該用相對(duì)于上地幔的演化線來計(jì)算，才更接近實(shí)際。即上式中、分別用虧損上地幔(DM)的值代替：=0.513151=0.2136(Wasserburgetal.,1981)上地幔Hf同位素演化往往偏離CHUR。因此從已虧損的上地幔中產(chǎn)生的地殼巖石，其模式年齡應(yīng)該用相對(duì)于上地幔的演化線來計(jì)算，才更接近實(shí)際。即上式中、分別用虧損上地幔(DM)的值代替：=0.28325=0.0384必須注意Sm-Nd模式年齡的運(yùn)用前提：巖石的源區(qū)的同位素組成與CHUR或虧損地幔吻合；巖石的Sm/Nd比值與CHUR或虧損地幔的Sm/Nd有明顯的差別，即分餾明顯。一些基性巖的Sm/Nd與CHUR或虧損地幔的相近而無法獲得正確的模式年齡。幔源巖漿受到殼源巖漿的混合或地殼物質(zhì)的混染作用（Arndt&Goldstein,1987），則模式年齡為混合年齡，不代表該巖漿事件時(shí)間。因此用模式年齡研究地殼形成事件時(shí)，應(yīng)盡可能輔以鋯石U-Pb等年齡資料。03Gat1tt2模式年齡代表了物質(zhì)進(jìn)入地殼以來所經(jīng)歷的時(shí)間，故又稱為地殼存留年齡對(duì)從CHUR庫或從虧損地幔來源的火成巖而言，模式年齡應(yīng)與成巖年齡(等時(shí)線年齡)相一致

對(duì)沉積巖而言，由于沉積物質(zhì)可來自不同剝蝕源區(qū)，故模式年齡大致代表了剝蝕源區(qū)平均的地殼年齡。沉積巖Modelagesofgranitesofvariedgeologicalages.AfterAllegreandBenOthman(1980);BenOthmanetal.(1984).對(duì)花崗巖而言，如果花崗巖來自地幔，則其模式年齡在右圖中應(yīng)位于斜率為1的線上。古老的花崗巖確實(shí)如此，但年輕的花崗巖模式年齡大于侵位年齡，反映有先存地殼物質(zhì)參與花崗巖的形成。因此模式年齡代表了地殼的混合年齡或平均年齡。花崗巖年齡Nd模式年齡Farmer&DePaolo(1983)、Nelson&DePaolo(1984,1985)、Bennett&DePaolo(1987)、Chen&Jahn(1998)、Shenetal.(2000)分別對(duì)美國西部和中國東南部進(jìn)行了Sm-Nd模式年齡填圖，劃分出不同的地殼年齡省，為探索地殼的增長和演化提供依據(jù)。模式年齡填圖——?jiǎng)澐值貧つ挲g省Colorado花崗巖Nd同位素模式年齡填圖

AfterBennettandDePaolo(1987).加利福尼亞RockyMountains的Nd同位素研究.AfterFarmerandDePaolo(1983).試圖勾畫出大陸年齡結(jié)構(gòu)的嘗試是從Rb-Sr方法開始的(Hurleyetal.,1962;Hurley&Rand,1969)他們發(fā)現(xiàn)Rb-Sr等時(shí)線年齡與模式年齡（假定地幔的87Sr/86Sr=0.706）總體上具有相關(guān)性，從而認(rèn)為Rb-Sr等時(shí)線年齡代表了地殼從基性源區(qū)分離出來的時(shí)間。他們對(duì)世界上2/3的陸地的Rb-Sr和K-Ar年齡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從他們的資料（圖,曲線1）來看，地殼的增長隨著時(shí)間有加速的跡象。但是我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，對(duì)古老的地體來說，Rb-Sr體系太容易被重置而不能得出可靠的地殼形成年齡。Nelson&DePaolo(1985)對(duì)美國陸殼基底進(jìn)行Nd模式年齡填圖，發(fā)現(xiàn)Nd模式年齡要明顯老于火成巖的結(jié)晶年齡，從而對(duì)美國大陸中部古元古代的地殼增長速率的估計(jì)比以前大為提高。有關(guān)加拿大地盾的資料也是如此。Patchett&Arndt(1986)的資料說明北美大陸地殼基底中在古元古代增長地殼的面積更大。據(jù)此畫出的曲線建議在地球歷史的中期，地殼的增生速率最大。這兩個(gè)以Nd模式年齡為基礎(chǔ)的模式（圖，曲線3，4）較為真實(shí)地反映了陸殼增長的情況。圖陸殼積累增長曲線（據(jù)Jacobsen,1988）1:HueleyandRand(1969);2:TugarinovandBibikova(1976);3:NelsonandDePaolo(1985);4:PatchettandArndt(1986)隨著研究的發(fā)展，有可能發(fā)現(xiàn)更多的古老地殼巖石，地球早期的地殼增長速率有可能比現(xiàn)在估計(jì)的要高。圖陸殼積累增長曲線（據(jù)Jacobsen,1988）1:HueleyandRand(1969);2:TugarinovandBibikova(1976);3:NelsonandDePaolo(1985);4:PatchettandArndt(1986)實(shí)際上據(jù)于Nd模式年齡的地殼增長仍然有很大誤差,誤差來源：幔源巖漿受到殼源巖漿的混合或地殼物質(zhì)的混染年輕花崗巖模式年齡代表了地殼的混合年齡或平均年齡幔源巖漿受到殼源巖漿的混合或地殼物質(zhì)的混染作用（Arndt&Goldstein,1987），則模式年齡為混合年齡，不代表該巖漿事件時(shí)間。03Gat1tt2據(jù)于Nd模式年齡的地殼增長也是有很大誤差解決途徑：(1)幔源鋯石Hf同位素模式年齡(2)花崗巖兩階段模式年齡澳大利亞碎屑鋯石年齡圖直方圖為各種鋯石結(jié)晶的離子探針測定年齡，藍(lán)色峰是δ18O<6.5的鋯石Hf模式年齡結(jié)果，藍(lán)色線為沉積物Nd模式年齡.AfterHawkesworth&Kemp(2006,Nature)(1)幔源鋯石Hf同位素模式年齡δ18O<6.5這一研究的結(jié)論是：該區(qū)從地幔產(chǎn)生新陸殼只發(fā)生在兩個(gè)相對(duì)短暫的時(shí)期，但花崗質(zhì)陸殼的形成在整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期一直在發(fā)生（U-Pb定年結(jié)果所示），但這些不斷產(chǎn)生的花崗巖質(zhì)陸殼僅僅是古老陸殼的再生，并非來自地幔的新生地殼。該新方法一旦被應(yīng)用到地球的其它地區(qū)，將揭示陸殼增生的真實(shí)時(shí)段及與板塊構(gòu)造的關(guān)系，具有非常重要應(yīng)用前景和意義。在地殼部分熔融形成花崗巖漿過程中，巖漿與固相之間會(huì)發(fā)生Sm/Nd分餾，花崗巖漿結(jié)晶分異也會(huì)導(dǎo)致Sm/Nd比值的顯著變化。這種情況下，用前述模式對(duì)花崗巖進(jìn)行計(jì)算獲得的模式年齡已沒有意義用以下兩階段模式可在很大程度上減少地殼部分熔融階段Sm/Nd分餾對(duì)模式年齡的影響（LiewandHofmann,1988；李獻(xiàn)華等，1991；陳江峰和江博明，1999）：(2)花崗巖兩階段Nd、Hf模式年齡式中下標(biāo)S-樣品、DM-虧損地幔、平均C-陸殼，(147Sm/144Nd)C=0.118(Jahn&Condie,1995)，(147Nd/144Nd)DM=0.513151，(147Sm/144Nd)DM=0.2136，t為地殼部分熔融形成花崗巖的時(shí)間。若一個(gè)具體的花崗巖地區(qū)的地幔、陸殼的Sm-Nd同位素組成，與假定的虧損地幔、陸