北京大學地球與空間科學學院地球化學研究所《地球化學》授課老師：李秋根E-mail:qgli@PhoneMP)Room:新地學樓3508上次課回顧同位素的概念及類型自然界物質(zhì)中同位素組成變化的原因自然界同位素衰變反應的主要類型一同位素地球化學

一、同位素地球化學基礎二、放射性同位素地球化學三、穩(wěn)定同位素地球化學一同位素地球化學一同位素地球化學同位素地質(zhì)年代學基本公式D=Do+N(et–1)

D*=N(et–1)D*/Ds=N/Ds﹒(et–1)二、放射性同位素地球化學

目前，在地球科學研究中對新生代前的地質(zhì)事件應用最為廣泛的同位素年代學方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四紀研究的同位素地質(zhì)年代學方法主要為14C法、不平衡鈾系法等。Rb-Sr測年二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（1）Rb和Sr的地球化學特點Rb的地球化學特點1）+1價的堿金屬，親石元素；2）易溶于水，活動性強；3）離子半徑較大（1.48?）；與元素K類似（1.33?）。

因此常與元素K在云母類礦物和K-長石類形成類質(zhì)同象。

Sr的地球化學特點1）+2價的堿土金屬，親石元素；2）也易溶于水，但弱于Rb；3）離子半徑也較大（1.13?），與元素Ca類似（0.99?）。因此，易于與Ca-長石類形成類質(zhì)同象。Sr-Ca類質(zhì)同象的礦物還有方解石、石膏、磷灰石和榍石。二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（1）Rb和Sr的地球化學特點部分熔融：Rb趨于保留在巖漿熔體中，比Sr更不相容性。巖漿分離結晶：Sr趨于濃集于斜長石中，而Rb留在液相中，殘余巖漿的Rb/Sr比逐漸增加。

因此，在一套分異的巖漿巖中，Rb/Sr比隨分異程度增加而增加。Winter（2001）AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（1）Rb和Sr的地球化學特點二、放射性同位素地球化學Hofmann(2014)1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（2）Rb和Sr的同位素特點鍶（Sr：Z=38）的同位素（相對豐度）:84Sr0.56%（同位素稀法中稀釋劑同位素）86Sr9.86%（參照同位素）87Sr7.00%(子同位素)：放射性成因88Sr82.58%均為穩(wěn)定同位素。85Rb72.17%（穩(wěn)定同位素）87Rb27.83%85Rb/87Rb比值在地球、月球和大部分隕石中為常數(shù)2.593，太陽系星云同位素均一化的緣故。二、放射性同位素地球化學銣（Rb

：Z=37）（相對豐度）1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（3）Rb-Sr測年公式與等時線Rb-Sr衰變方式：二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（3）Rb-Sr測年公式與等時線礦物中不存在初始鍶時根據(jù)公式：t=1/ln(1+87Sr*/87Rb)該方法需注意的問題和適用的樣品：1）樣品中必須無初始鍶

2）若有，則富Rb，相對于(87Sr/86Rb)s可以忽略不計，如：鋰云母3）含鉀礦物：鉀長石、白云母、天河石、鉀鹽等D*=N(et-1),有

87Sr*=87Rb(et-1)二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（3）Rb-Sr測年公式與等時線對單個樣品，采用這種假定初始值的方法計算出來的同位素年齡稱為“模式年齡”多數(shù)巖石和礦物結晶時，總是不同程度含有一定數(shù)量的初始鍶福爾和鮑威爾（1972）二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（3）Rb-Sr測年公式與等時線可測可測未知未知未知兩個未知數(shù)。如果存在至少兩個樣品組成的樣品組，且具有相同的初始鍶和相同的形成年齡二、放射性同位素地球化學R=R0+RP/D(eλt

-1)y=a+bx公式構成一以x為變量的y的一元一次線性方程，-截距a為：

R0-斜率b為：

(eλt-1)可以擬合得到一條直線，通過該直線可以求解a和b；計算出t。前提：具有相同的初始鍶!Rb/Sr值要有差別-體系封閉！87Sr/86Sr87Rb/86Sr等時線RRP/D斜率=(eλt-1)截距R0未知1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（3）Rb-Sr測年公式與等時線二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（3）Rb-Sr測年公式與等時線等時線方法的特點：與不含初始鍶方法和模式年齡相比，精度較高?？傻玫匠跏?6Sr/86Sr值（用于判斷來源）。根據(jù)數(shù)據(jù)點擬合好壞程度可以檢驗體系封閉性。二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（3）Rb-Sr測年公式與等時線Rb-Sr等時線年齡測定必須滿足的條件：同源、同時、封閉，顯然和必須的；同位素均一化，樣品具有相同的初始鍶；體系內(nèi)化學成分不同，各樣品中Rb/Sr比值不同并遠大于87Sr/86Sr的誤差范圍；保證橫坐標數(shù)據(jù)點差別足夠大，以能夠拉開成等時線。Winter（2001）AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題A.巖漿巖：巖漿結晶分異可形成一套化學成分變化的研究巖巖漿為液體狀態(tài)，是良好的同位素交換條件，滿足同位素的均一化；保證礦物或巖石具相同的初始鍶；巖漿結晶過程時間與結晶后至今的時間，記錄相同的年齡；深成巖；噴出巖。保持封閉，未受蝕變、變質(zhì)等外來影響。二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題A.巖漿巖：巖漿結晶分異可形成一套化學成分變化的研究巖Rb-Sr等時線法是測定中酸性巖漿巖年齡的常用手段；基性巖漿巖，Rb含量低，Rb-Sr定年較困難。二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題A.巖漿巖：巖漿結晶分異可形成一套化學成分變化的研究巖從一個巖漿房結晶分異演化出來的巖石，常常具相同的初始鍶（to），但是Rb/Sr比值可不同；經(jīng)歷了一個時期（to-t1）后，由于Rb含量的不同，87Sr得到不等的增長；從而在87Rb/86Sr-87Sr/86Sr坐標系中該套巖石分布在一條等時線上。a1b1c1t1二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題A.巖漿巖：巖漿結晶分異可形成一套化學成分變化的研究巖

幔源漿巖具有與地幔相同的Sr初始同位素比值形成的巖石與地幔的初始同位素比值相同，但不同的結晶礦物卻具有不同的Rb/Sr比值。二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題A.巖漿巖：巖漿結晶分異可形成一套化學成分變化的研究巖礦物礦物礦物如果沒有受到后期變質(zhì)作用，全巖和礦物等時線應該重合。共同代表巖漿的形成時代。二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題A.巖漿巖：巖漿結晶分異可形成一套化學成分變化的研究巖Dickin

（2005）二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題B.變質(zhì)巖:取決于變質(zhì)作用的強度t0tmtpFairbainetal（1961）tm時，均一化，單礦物在變質(zhì)作用中屬開放體系；再次封閉時，礦物等時線年齡記錄熱事件開始的冷卻年齡；小范圍的全巖在熱事件中保持封閉，可用來測定該巖石的初始結晶年齡。二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題B.變質(zhì)巖:取決于變質(zhì)作用的強度小范圍（礦物）的均一化，全巖體系保持不變：此時，87Sr/86Sr比值高于初始比值，全巖等時線為代表巖石形成年齡，礦物等時線為變質(zhì)年齡；其截距和斜率不同；強變質(zhì)作用，使Sr同位素重新均一化，等時線年齡代表變質(zhì)年齡；弱變質(zhì)作用，未能使礦物間發(fā)生Sr同位素均一化，全巖等時線代表結晶年齡。全巖等時線礦物等時線87Sr：富Rb礦物變化：黑云母、鉀長石；貧Rb礦物變化：磷灰石二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題C.沉積巖：定年較為困難砂巖：子體難以達到均一化，含先存顆粒；頁巖：若子體達到均一化，母體也均一化；碳酸鹽巖：全部均勻化沉積巖中鍶同位素的母體87Rb和子體87Sr及其保存條件：陸源碎屑物自生礦物（海綠石等，易發(fā)生離子交換反應）若是變質(zhì)的沉積巖，可能可以得到變質(zhì)年齡年齡與地層年齡一致；初始鍶與當時海洋Sr同位素一致二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學1）Rb-Sr法年齡測定的基本原理（4）

Rb-Sr等時線年齡應用研究的注意問題D.熱液礦床樣品：礦石和脈石礦物(黃鐵礦、閃鋅礦)流體包裹體(石英脈)問題：是否同時？保證各不同部位達到均一化又具有不同的母體含量YangJH（2001）玲瓏金礦：黃鐵礦二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學2）地殼和地幔中鍶同位素的地球化學演化及其示蹤意義BABI=0.69897顯示出不同源區(qū)的巖漿：1）玄武巖演化區(qū)：表明物質(zhì)源于上地幔；2）大陸地殼演化線附近，源于地殼；3）兩者之間過渡區(qū)，物源多樣：殼?；旌匣蛳碌貧さ蚏b/Sr區(qū)

Rb/Sr=0.027;Rb/Sr=0.15二、放射性同位素地球化學1.銣-鍶法年齡測定和鍶同位素地球化學2）地殼和地幔中鍶同位素的地球化學演化及其示蹤意義地殼和地幔中87Sr/86Sr差異的原因：D*=N(et-1)銣的豐度：地殼中的Rb豐度：110×10-6；地幔中的Rb豐度：0.6×10-6高

Rb/Sr

和

87Sr/86Sr比

低Rb/Sr

和

87Sr/86Sr比低Rb/Sr

和

87Sr/86Sr比低Rb/Sr

和

87Sr/86Sr比二、放射性同位素地球化學

目前，在地球科學研究中對新生代前的地質(zhì)事件應用最為廣泛的同位素年代學方法有Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、K-Ar和Re-Os法等，第四紀研究的同位素地質(zhì)年代學方法主要為14C法、不平衡鈾系法等。U-Th-Pb測年二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（1）U、Th和Pb的地球化學特點U和Th均為錒系元素，常為+4價，但在表生條件下，U常呈+6價；離子半徑分別為0.97?和1.05?；由于較大的離子半徑和高電價，U和Th均表現(xiàn)為強不相容元素；+4價U和Th較穩(wěn)定，但+6價的U可呈UO22+形式溶于水而發(fā)生遷移；除少數(shù)情況以云母鈾礦（uranite）和硅酸釷礦（thorite）形式呈獨立礦物外，多數(shù)條件下呈分散狀態(tài)分布于造巖礦物和副礦物中。Pb為親銅元素，屬中等不相容元素；普遍呈+2價；離子半徑為1.32?；

通常條件下Pb較穩(wěn)定，但在高溫和酸性條件下可形成氯的化合物或硫的化合物，易溶解于熱液中而發(fā)生遷移；Pb的獨立礦物為方鉛礦（PbS），而在硅酸鹽礦物中，多與元素K形成類質(zhì)同象而趨于存在鉀長石等礦物中。二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（1）U、Th和Pb的地球化學特點球粒隕石方鉛礦不同物質(zhì)中U、Th、Pb的元素含量二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（2）U、Th和Pb的同位素地球化學性質(zhì)238U99.27%；M=238.050783235U0.7200%；M=235.043923234U0.0055%；M=234.040946其中238U和235U經(jīng)放射性衰變分別形成穩(wěn)定同位素206Pb和207Pb，而234U是衰變的中間產(chǎn)物。238U/235U=137.88。鈾（U：Z=92）（相對豐度）232Th≈100%；M=232.038050Th共有6個天然放射成因同位素；232Th

豐度~100，經(jīng)衰變形成穩(wěn)定同位素208Pb；其它5個極低，且為U、Th衰變的中間產(chǎn)物.釷（Th：Z=90）（相對豐度）鉛（Pb：Z=82）（相對豐度）204Pb1.4%；M=203.973029206Pb24.1%；M=205.974449207Pb22.1%；M=206.975881208Pb52.4%；M=207.976636

204Pb非放射成因同位素，豐度基本不變二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年公式及諧和圖U、Th和Pb衰變公式：=1.41010a（最慢）=4.47109a（居中）=7.04108a（最快）二、放射性同位素地球化學362.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年等時線法：根據(jù)基本公式：D*=No+N(et-1)二、放射性同位素地球化學1.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年加拿大安大略泥盆紀珊瑚碳酸鹽U-Pb等時線年齡。所獲得的等時線年齡與地層時代相近375~385Ma；

圖中的空心符號代表樣品發(fā)生了不同程度的體系開放，未能參加等時線年齡擬合統(tǒng)計。SmithandFarquhar(1989)二、放射性同位素地球化學t=1/1

ln{[(206Pb/204Pb)-(206Pb/204Pb)o]/(238U/204Pb)+1}t=1/2

ln{[(207Pb/204Pb)-(207Pb/204Pb)o]/(235U/204Pb)+1}t=1/3

ln{[(208Pb/204Pb)-(208Pb/204Pb)o]/(232Th/204Pb)+1}若礦物中沒有初始鉛或可以忽略，可得到三個獨立的年齡值，如果它們相互吻合（相對誤差≤10%），則稱為一致年齡。適用的礦物：瀝青鈾礦，晶質(zhì)鈾礦，釷石，鋯石，獨居石，磷灰石等。1.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法整理得：二、放射性同位素地球化學1.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法：207-206法利用該公式不需要測定238U和235U即可計算出樣品的年齡；適用的礦物:含U,Th的礦物,如瀝青鈾礦,晶質(zhì)鈾礦,釷石,鋯石,獨居石,磷灰石等二、放射性同位素地球化學1.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法

U、Th和Pb的活動性，使得U-Pb等時線定年受到很大的限制。然而，238U與235U，206Pb與207Pb具一致的地球化學性質(zhì)。受干擾也能給出年齡信息。因此，為了消除由于礦物中子體同位素丟失引起的測年誤差，采用U-Th-Pb一致曲線法二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法-一致曲線法球粒隕石方鉛礦不同物質(zhì)中U、Th、Pb的元素含量二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理235U的衰變速率快，所以較老時代的礦物中的207Pb*/235U比值會很高相對緩慢的238U衰變意味著現(xiàn)有任一時代的地表樣品的206Pb*/238U<1U238=4.47109a（居中）U235=7.04108a（最快）二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法-一致曲線法兩個衰變體系隨時間演化，通過選取不同的年齡，求出一條U-Pb體系的理論曲線，并投在一個坐標207Pb/235U-206Pb/238U圖解中構成了一條“諧和線”二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法-一致曲線法Pb丟失U丟失二、放射性同位素地球化學1.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法-一致曲線法

對于一組t時刻形成，在t1時刻發(fā)生了不同程度鉛丟失的富U樣品，它們的207Pb/235U、206Pb/238U比值應該在一條直線上，這條直線稱為不一致線；

該直線與諧和曲線有兩個交點，上交點t為樣品形成的年齡，而下交點t1為發(fā)生鉛丟失事件的年齡。

上、下交點可視為：鋯石中的U-Pb同位素組成點和環(huán)境的U-Pb同位素組成點，即二者間的均一化或混合作用。tt1二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法-一致曲線法二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法-一致曲線法二、放射性同位素地球化學二、放射性同位素測年2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：含U、Th礦物法-一致曲線法二、放射性同位素地球化學2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理球粒隕石方鉛礦不同物質(zhì)中U、Th、Pb的元素含量（3）U、Th和Pb的測年：普通鉛法年齡測定：Holmes-Houtormans法：H-H法二、放射性同位素地球化學1.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：普通鉛法年齡測定：Holmes-Houtormans法：H-H法A.基本思路：地球上的鉛同位素按正常母體量演化，直到形成含鉛礦物時才脫離母體。B.基本假設a.地球形成初期U、Th、Pb分布均勻b.已知地球的原始鉛同位素組成：ao=(206Pb/204Pb)o=9.307bo=(207Pb/204Pb)o=10.294co=(208Pb/204Pb)o=29.476c.地球鉛同位素的相對豐度變化是地球體系中放射性母體衰變的結果。d.鉛礦物形成后，鉛同位素與放射性母體（U和Th）分離。（子體鉛同位素不再增長，同位素組成基本保持不變）二、放射性同位素地球化學二、放射性同位素測年2.鈾-釷-鉛法年齡測定和鉛同位素地球化學1）U-Th-Pb法年齡測定的基本原理（3）U、Th和Pb的測年：普通鉛法年齡測定：Holmes-Houtormans法：H-H法

T=45.5億年

t0億年時間——————————————事件

——————————————(206Pb/204Pb)o

地球形成礦物形成測定(206Pb/204Pb)

Pb同位素不變

由于方鉛礦不含U，若方鉛礦保持封閉，則它至今保持了形成那一時刻體系的Pb同位素組成二、放射性同位素地球化學計算公式：根據(jù)(206Pb/204Pb)增長公式：(206Pb/204Pb)