南京大学同位素地质学-06Sm-Nd同位素年代学.ppt

* 6. Sm-Nd同位素年代学 Sm的一个同位素（147Sm）是放射性的，它通过发射?粒子而衰变为稳定的143Nd，虽然147Sm的半衰期很长（T1/2=1.06?1011年），但对地球岩石、石陨石和月岩的定年很有用。 而且放射成因的143Nd和87Sr一起提供了了解行星演化和火成岩石成因的方法。 6.1 Sm和Nd的地球化学性质 Nd（Z=60）和Sm (Z=62) 是元素周期表IIIB族中的稀土元素（REE）。 REE一般形成+3价离子，它们的离子半径随着原子序数的增加而减小，即从La (Z=57)的1.15?到Lu (Z=71) 的0.93?。 石灰质陨石 REE在氟碳铈矿、独居石和铈硅矿等矿物中含量很高，但在一般造岩矿物中REE置换主元素而成为分散元素。 矿物晶格对容纳REE具有相当大的选择性： 长石、黑云母和磷灰石倾向于选择轻稀土元素 辉石、角闪石和石榴石一般选择重稀土元素。 Nd和Sm属于轻稀土元素， Nd3+离子半径为1.08?， Sm3+为1.04?。 Sm和Nd的化学性质很相似，在许多地质过程中Sm和Nd不会发生明显的分离。 地球上岩石和矿物的Sm/Nd比值仅变化于0.1到0.5之间。 由于Nd3+离子半径较Sm3+的大，因而Nd3+的离子键较Sm3+的离子键易于断裂，因此， 由地幔或地壳岩石部分熔融形成的硅酸盐熔体中，Nd相对于Sm发生富集， 从而典型地壳岩石的Sm/Nd比值低于上地幔源岩石的Sm/Nd比值。在岩浆分离结晶过程中，残余岩浆中Nd相对于Sm也发生富集。 一般而言，火成岩分异程度增强，其Sm和Nd含量升高，但Sm/Nd比值有所下降。例如: 洋中脊玄武岩(MORB)的Sm/Nd比值为0.32 而花岗岩的仅为0.19。 与硅饱和的岩石相比，碱性火成岩如响岩、粗面岩和正长岩富集Sm和Nd，其Sm/Nd比值一般变化于0.10~0.20之间。 各种沉积岩也具有较低的Sm/Nd比值。 6.2 Sm－Nd法定年 Sm有7个天然存在的同位素，其丰度如下： 144Sm ＝ 3.1%，稳定 147Sm ＝ 15%，放射性 148Sm ＝ 11.2% ，稳定 149Sm ＝ 13.8% ，稳定 150Sm ＝ 7.4% ，稳定 152Sm ＝ 26.7% ，稳定 154Sm ＝ 22.8%， 稳定 Nd有7个天然存在的稳定同位素的丰度如下： 142Nd ＝ 27.1% 143Nd ＝ 12.2% 144Nd ＝ 23.9% 145Nd ＝ 8.3% 146Nd ＝ 17.2% 148Nd ＝ 5.7% 142Nd ＝ 5.6% Sm-Nd 之间有两对母-子体同位素： 147Sm衰变为143Nd， 146Sm衰变为142Nd。146Sm的半衰期较短，现已衰变完了， 146Sm本身是由150Gd衰变而来（Lugmair and Marti, 1977）。 与Rb-Sr体系相似，147Sm衰变与143Nd的增长可用下式描述： 式中?＝6.54×10-12a-1，是许多测定的加权平均值（Lugmair and Marti, 1978） Sm－Nd等时线年龄测定，通常通过分析单矿物或同源同生的一套Sm/Nd比值变化尽可能大岩石来实现，等时线条件与Rb－Sr法相同。 Sm－Nd法适合于基性、超基性火成岩的定年 Rb－Sr法更适合于酸性、中酸性火成岩的定年 更重要的是REE在变质作用、热液作用和化学风化作用中比Rb、Sr要稳定的多。结果对那些已发生Rb、Sr迁移的岩石仍能用Sm－Nd法进行定年 所以Sm－Nd法可用来测定那些因Rb/Sr比值低或对Rb－Sr不再封闭的岩石的年龄。 6.3 低级变质火成岩定年（≈火成岩定年） 147Sm的半衰期很长，最适用于对前寒武系的定年。因此，早期的Sm-Nd研究集中于对太古代火成岩的结晶年龄测定。 太古代火成岩往往由于受后期变质作用的影响，Rb-Sr或K-Ar法常常不能给出精确的结晶年龄。Stillwater杂岩体（DePaolo and Wasserburg, 1979）提供了Sm-Nd法应用的一个很好的例子。 从Stillwater杂岩体层状系列堆晶岩部分分离出的三个矿物的Rb-Sr同位素分析数据不构成等时线，而这三个矿物的Sm-Nd数据构成一条很好的等时线，计算年龄为2701±8Ma。 为检验矿物Sm-Nd体系是否已遭受变质重置，DePaolo Wasserburg（1979）还分析了该侵入体不同层的6个全岩样品的Sm-Nd同位素， 全岩结果全部落在矿物Sm-Nd等时线上，说明矿物等时线反映了该侵入体的结晶年龄，以及岩浆体具有均一的初始Nd同位素组成。 另一个例子是南非Onverwacht群科马提岩－钠质斑岩 由于低级变质作用，全岩Rb-Sr受扰动，Sm-Nd