Lu-Hf同位素体系

Lu-Hf同位素体系简介一、Lu-Hf同位素镥是一种稀土元素，镥在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛，但含量很低。自然界中镥的重要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及某些稀土矿物（如独居石、黑稀金矿、铌钇矿、褐帘石和硅铍钇矿等）。镥有两个天然同位素：175Lu和176Lu。它们的相对丰度分别为97.39%和2.61%。176Lu为放射性同位素，通过β—衰变形成更稳定的176Hf。铪是一种分散元素，其化学性质和离子半径与锆石非常相似，因而常以类质同像替换锆的方式进入许多矿物的晶体结构，其中以锆石中铪的含量最高。铪有6个同位素：174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,180Hf，它们的相对丰度分别为：0.20%，5.2%，18.6%，27.1%，13.7%，35.2%。其中174Hf是放射性同位素，它通过α衰变形成稳定的170Yb。二、Lu-Hf法定年基本原理：173176LuHfE含镥岩石或矿物的年龄可根据下式计算：173177176177176177/(/)/(1)tiHfHfHfHfLuHfe176Lu的衰变常数λ=1.94±0.07×10-11a-1。对于满足等时线年龄测定的一组样品，可采用与Sm-Nd和Rb-Sr法相似的等时线方法来测定样品的Lu-Hf等时线年龄。适合于Lu-Hf同位素年龄测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石。锆石的镥含量虽高达24×10-6，但因其铪含量太高；硅铍钇矿虽具有很高的镥含量，但因其极少见，因而这两个矿物通常不适合用于Lu-Hf年龄的测定对象。三、Lu-Hf法定年实例1.含石榴石变质岩的Lu-Hf同位素定年石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一中非常常见的矿物。石榴石具有较高的Hf封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的Hf含量使Lu-Hf法比Sm-Nd和Pb-Pb法有更优越的特点。1.1石榴子石Lu-Hf封闭温度对封闭温度的解读是诠释放射性同位素年龄代表矿物生长/结晶年龄或冷却年龄的重要前提。放射性同位素母子体在特定矿物中的封闭温度与其活化能、元素扩散系数、岩石冷却速率以及矿物颗粒大小和开头等因素密切相关。目前一般认为石榴子石Lu-Hf体系封闭温度高于700℃，高于或者等于同等条件下石榴子石Sm-Nd体系的封闭温度。1.2包裹体的影响变质岩中石榴子石中常见大量的固相包裹体，例如单斜辉石、角闪石、绿泥石、云母、锆石、磷灰石、金红石和榍石等。这些常见包裹体矿物中，富集Lu元素的磷灰石和含大量Hf的锆石和金红石包裹体对石榴子石Lu-Hf定年的影响不容忽视（图1），其他常见矿物包裹体对石榴子石Lu-Hf体系的影响则非常有限。图1锆石对于石榴子石Lu-Hf等时线影响示意图1.3以大别榴辉岩为例的Lu-Hf年代学图2大别榴辉岩样品SH02的石榴子石—全岩176Lu/177Hf-176Hf/177Hf等时线图石榴子石—全岩的等时线图见图2。全岩与石榴子石的176Lu/177Hf比值范围为0.01~0.05，得到的等时线年龄为254±16Ma，初始176Hf/177Hf比值为0.282121±0.000010，MSWD=0.35，对应的εHf（254Ma）=-16.6。石榴子石Lu-Hf定年方法由于石榴子石生长的复杂性，需要考虑多种因素对Lu-Hf年龄结果的影响，才能赋予年龄正确的地质意义。2.含磷灰石岩石的Lu-Hf同位素定年磷灰石是另一个Lu/Hf比值较高的矿物，由于该矿物不仅产于通常的岩浆岩和变质岩中，在沉积岩中也经常出现，因而也是进行沉积作用定年代的重要对象。岩浆岩，特别是镁铁质岩浆岩由于经常缺乏锆石等适合测年的矿物，成为年代学研究中的一个难点。Barfodetal.(2003)对Gardiner、Skaergaard和Khibina三个侵入体岩石中的磷灰石、异性石、榍石和全岩进行了Lu-Hf同位素测定，所获得的等时线年龄分别为53.53±0.53、60.18±0.45和402.4±2.8Ma（采用的176Lu衰变常数为1.869×10-11）。之后，LarssonandSoderlund(2005)对瑞典南部含Fe-Ti矿化的镁铁质堆晶岩进行了测定，其磷灰石、斜长石和全岩构成一条1204.3±1.8Ma的Lu-Hf等时线，这一年龄也与用其它方法获得的年龄一致。3.岩石圈地幔的Lu-Hf同位素定年岩石圈地幔的定年一直是固体地球科学研究的难点，一方面是缺少常见的定年矿物，其二是地幔的温度高，通常的同位素体系在地幔中不能封闭。此外，岩石圈地幔在形成后大多经历过后期交代作用。因此，传统的Sr-Nd-Pb等同位素大多采用Re-Os法来对此年龄加以限定，但Re的活动性质使获得年龄的解释复杂化。因此，近几年来，各国学者都在努力探索Lu-Hf法对岩石圈地幔定年的可行性。从理论上来说，Lu-Hf同位素体系具有较高的封闭温度，并有可能在岩石圈地幔形成后一直保持封闭，从而可以给出可信的年龄。四、Hf同位素在地质学中的应用1.Hf同位素示踪的基本原理Lu与Hf均为难溶的中等—强不相容性亲石元素，这一点与Sm-Nd体系有很大的类似性。因此，Hf同位素示踪的基本原理与Nd同位素相同。1.1Hf同位素研究中的有关公式176177176177,0176177176177176177176177,017617717617717611(0)((/)/(/)1)10000()((/)(/)(1))///11)100001/ln1((/)(/)/((/HfSCHURttHfSSCHURCHURHfSDMHfHfHfHftHfHfLuHfeHfHfLuHfeTHfHfHfHfLu77176177211176177176177/)(/))()(()/())(/)/(/)1SDMHfHfHfccsccDMLuHfSCHURHfLuHfTTTtfffffLuHfLuHf其中，(176Lu/177Hf)S和(176Hf/177Hf)S为样品待测值，(176Lu/177Hf)CHUR=0.0332，(176Hf/177Hf)CHUR,0=0.282772；(176Lu/177Hf)DM=0.0384，(176Hf/177Hf)DM=0.28325。fcc，fs，fDM分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的fLu/Hf。T为样品形成时间，λ=1.867×10-11year-1。1.2Nd-Hf同位素的相关性和解耦Sm-Nd、Lu-Hf体系的相似性导致Nd与Hf同位素间呈现正相关（VervoortandPatchett,1996），并提出εHf(t)≈2εNd(t)的关系式。但这两个体系仍存在一定的差别：（1）在部分熔融过程中，Lu/Hf元素的比值变化范围要大于Sm/Nd的变化范围。同时，176Lu的半衰期（36Ga）要比147Sm的半衰期（108Ga）差不多要短三倍，从而出现在相同的时间内，Hf同位素比值的变化要大于Nd同位素的变化（约两倍关系），这也使得Lu-Hf体系还可适应于年轻体系的研究；（2）在风化作用过程中，不同产物的Sm/Nd比值不会发生很大的变化；但对Lu-Hf体系，情况变得不同。因为，Hf主要与Zr结合而赋存在锆石中，在岩石风化过程中，锆石主要在粗粒的碎屑沉积物中富集；而细粒的沉积物，如粘土，其锆石的含量很少。因此，不同风化程度岩石的Lu/Hf比值有很大的变化范围，这一现象又称“锆石效应”(zirconeffect,Patchettetal.,1984)。但是Vervoortelal.(1999)对100余个沉积岩样品的测定发现，所谓的锆石效应并不明显。（3）尽管Hf、Nd同位素存在一定的正相关性，但与Sm-Nd体系中Sm的Nd同属稀土元素的特点不同的是，Lu属稀土元素，而Hf属高场强元素，因而Lu和Hf的地球化学性质存在显著差异。这样在岩石变质和岩浆作用过程中，有可能εHf和εNd之间并不存在预想的线性关系，即存在Nd-Hf同位素的解耦。图3下地壳麻粒岩的Nd-Hf同位素变异图但是，尽管局部地区存在Nd-Hf同位素解耦的实例，但下地壳麻粒岩Nd-Hf同位素间的线性关系仍非常清楚（图3），表明在宏观尺度上，石榴石可能并未进入熔体相，或者在下部地壳中，石榴石出现的时间较短而不足以产生放射性成因Hf的积累。表1重要地球化学储源库现今Hf同位素组成储源库名称176Lu/177Hf176Hf/177HffLu/Hf球粒陨石0.0332±20.282772±290.00亏损地幔0.03840.283250.16下地壳（镁铁质）0.022-0.34上地壳（长英质）0.0093-0.72平均地壳0.015-0.551.3重要地球化学储源库的Hf同位素组成表1列出了目前相对确定的球粒陨石和亏损地幔的Hf同位素组成，对不同类型富集地幔及地壳等的Hf同位素组成目前还缺乏应有的研究。1.4锆石Hf同位素示踪在Hf同位素示踪研究中，锆石是一个非常重要的矿物。由于该矿物具有较高的Hf含量，但Lu的含量又极低，从而导致其176Lu/177Hf具有非常低的比值。因此，锆石在形成后基本没有明显的放射性成因Hf的积累，所测定的176Hf/177Hf比值基本代表了其形成时体系的Hf同位素组成。运用锆石Hf同位素示踪地质演化具有一系列的优越性。首先，锆石在大多数岩石中都存在，而且极抗风化；其二，锆石具有很高的Hf同位素体系封闭温度；第三，锆石具有较高的Hf含量和极低的Lu/Hf比值，因而由年代不确定性引起的176Hf/177Hf比值误差有限；第四，和Nd同位素不同，一个岩石若由多种组份构成，则我们可以通过获得多组锆石来认识它的演化，而对于该岩石，我们获得的同Nd同位素数据只有一个。1.5Hf同位素模式年龄的解释就锆石的Hf同位素示踪而言，我们在大多数情况下还应考虑其两阶段的模式年龄，基本原理如图4所示。图4单阶段与两阶段Hf模式年龄计算示意图假设2.5Ga时亏损地幔熔融形成玄武质下地壳岩石（地壳形成事件，模式年龄的涵义），而该岩石在1.0Ga时发生再熔融形成花岗岩（地壳物质再循环）。如果所形成的花岗岩具有其源岩的Lu/Hf比值，它演化至现在的Hf同位素组成为A点。这样根据测定获得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf数据，我们可获得该岩石的Hf模式年龄为2.5Ga。但对1.0Ga形成的花岗岩中的锆石而言，它演化至现在的Hf同位素组成为B点；根据测定获得的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf数据所获得的Hf模式年龄为TDM1，该值明显小于其真正的模式年龄（2.5Ga）。这时，我们只有使用两阶段模式年龄（TDM2）方法才能获得其真正的壳幔分异作用的时代。显然，如果锆石的年龄越年轻，所获得的单阶段模式年龄与真正模式年龄的差值就越大。无论采用单阶段还是两阶段模式，我们都必须注意由于不同地区亏损地幔的不均一性而带来的Hf模式年龄的误差。同时，我们强调，Hf的模式年龄决不等于其形成年龄。对于地幔来源的玄武质岩石而言，如果Hf模式年龄与其形成年龄相近，这表明该玄武质岩石来源于亏损地幔。如果Hf模式年龄大于其形成年龄，则表明其岩浆源区受到过地壳物质的混染或来自于富集性地幔。但若Hf模式年龄在误差范围内小于其形成年龄，则大多数情况下应考虑数据的可靠性或者Nd-Hf同位素的解耦。对花岗质岩石而言，由于它主要来源于地壳岩石的部分熔融，所以其Hf模式年龄要远大于其形成年龄。但若Hf模式年龄与其形成年龄相近，则表明其地壳源区是新生的。比较复杂的是，如果岩石或其源区是由多种组分组成的，或者锆石来源于多种组分混合而成的岩浆结晶的，则Hf同位素模式年龄的意义难以讨论。五、结语以上对Lu-Hf同位素的分析方法笔基本原理作了简单的介绍，可以看出，该同位素体系在岩浆岩、沉积岩和变质岩中都具有广泛的应用前景。由于Lu-Hf同位素体系具有比其它同位素体系较高的封闭温度，因此具有更高的精度，尤其是对石榴子石的定年有更好的应用前景。而利用Hf同位素进行示踪也