第五讲-Lu-Hf与Re-Os法

第五讲Lu-Hf和Re-Os同位素体系简介PartALu-Hf同位素体系锆石钙铝榴石内容提要Lu、Hf元素地球化学特征Lu-Hf同位素地球化学特征Lu-Hf同位素定年原理；Hf与模式年龄Hf同位素示踪研究与意义5.1Lu、Hf元素地球化学特征Lu是REE中质量数最大的元素，具有+3价离子电价，离子半径为0.95Å；Hf元素与元素Ti、Zr同属第IV副族元素。Zr、Hf具有相似的地球化学性质；Lu、Hf元素地球化学特征Hf具有+4的离子电价，其离子半径在6次配位是为0.71Å，8次配位是为0.83；Zr同样具有+4的离子电价，其离子半径在6次配位是为0.72Å，8次配位是为0.84；Ti也表现为+4价离子，但其离子半径相对较小(0.61Å)；因此，Zr与Hf的地球化学性质十分相似，被称为GeochemicalTwins(地球化学孪生元素)，类似的元素对还有Nb-Ta元素。Lu、Hf元素地球化学特征Lu是弱至中等不相容元素，与元素Sm相似；Hf是中等不相容元素，与REE的Nd相似；Lu-Hf同位素体系与Sm-Nd同位素体系类似，表现为如下显著特征:母、子体元素均难溶于水，在变质作用过程中不易活动而相对稳定。因此，地球系统的Lu/Hf比值应具有球粒陨石的演化趋势。5.2Lu-Hf同位素地球化学特征Lu有两个同位素(质量数、原子量amu、丰度%)：175Lu174.94076897.41176Lu175.9426822.59其中176Lu为放射性同位素，且存在两种不同的衰变形式：经-衰变形成176Hf子体；经电子捕获衰变形成176Yb子体。由于176Lu的电子捕获衰变形式只占其总衰变量中很少一部分，因此在Lu-Hf同位素体系的年代学应用中常被忽略。Lu-Hf同位素地球化学特征Hf有6个同位素(质量数、原子量amu、丰度%)：174Hf173.9400400.16176Hf175.9414025.26177Hf176.94322018.60178Hf177.94369827.28179Hf178.94581513.62180Hf179.94654935.08其中176Hf为176Lu放射衰变子体：由Lu直接衰变形成的子体176Hf为激发态，需经释放出能量后变成稳定基态。5.3Lu-Hf同位素衰变方程176Lu母体衰变成176Hf子体的放射性衰变关系：QHfLu1767217671)1(1771760177176177176tPeHfLuHfHfHfHf依据放射性衰变方程，可获得Lu-Hf年代学方程：Lu-Hf放射体系特征•176Lu的衰变常数为1.9310-11yr-1。176Lu的半衰期T1/2(35.9Ga)较Sm-Nd和Rb-Sr同位素体系中的147Sm和87Rb的半衰期(分别为106Ga和49.9Ga)要短，这一特征既保证了母体同位素176Lu在现今太阳系中仍然存在，又能使子体同位素176Hf在地质历史上产生足够明显的变化(是143Nd增长速度的3倍)。在地壳岩石中，Lu、Hf元素的平均含量与典型的HREE相当，分别约为10-7和10-6数量级，176Hf/177Hf同位素比值多变化于0.280.29之间。Lu-Hf体系地球化学特征•除地质事件定年外，Lu-Hf同位素体系在地质研究中的潜在领域有星体增生过程、地核形成和地幔的化学演化等。由于Lu和Sm同为REE元素，Lu-Hf与Sm-Nd形成独特的同位素体系配对：在原始岩浆事件中，如地幔中熔体的抽取作用，两同位素体系行为类似，形成Hf与Nd同位素组成之间的正相关性。不同时代地壳岩石的Nd-Hf同位素具正相关性：Hf2NdHfandNdincrustalrocksofvariousages.Thetwoarewellcorrelated,withthevariationinεHfbeingabouttwicethatofεNd.FromVervoortandPatchett(1996).5.4Lu-Hf同位素体系的特殊性与Sm-Nd同位素体系中Sm、Nd同属REE元素不同，Hf属IVB高场强元素，因而Lu和Hf之间其地球化学性质存在显著差异。尤其值得指出，在地壳岩石的变质和岩浆作用过程中，如麻粒岩相变质作用和地壳深熔作用，Lu趋于进入石榴石矿物相中，在地壳熔融作用时趋于保留在耐熔残余相中，而Hf大部分进入锆石矿物相。导致两元素间的相对分离。不同沉积物质在147Sm/144Nd相近条件下，其176Lu/177Hf比值其存在明显差异。问题：为什么随沉积物的变化会发生Lu/Hf比值的相应变化？(HfZr)PlotofLu/HfversusSm/Ndratioindifferentsedimenttypes,showingthatlargefractionationsinLu/HfarenotaccompaniedbysignificantchangesinSm/Nd.AfterPatchettetal.(1984).沉积物粒度减小方向Lu-Hf同位素体系的特殊性随时间演化，Lu-Hf元素的这种行为差异将导致Lu-Hf与Sm-Nd同位素体系之间的脱偶：在下地壳导致176Hf/177Hf相对143Nd/144Nd偏高。因而，两同位素体系间的两种不同关系将对认识壳幔分异和地壳增生历史提供重要的约束。5.5测试技术：从TIMS到MC－ICPMSTIMS:热电离质谱的可调多接收系统对Sm-Nd同位素方法在地学中的广泛应用起了至关重要的作用，但对Lu-Hf同位素的测定则存在以下困难：Hf的一级电离能较高，不仅导致其电离率低，且样品电离时需极高的灯丝电流。由于多数地质样品Hf含量低，而增大分析样量会引起分析本底的增高，进而限制了适用样品的范围；样品化学制备过程中，要实现元素Hf与元素Ti和Zr的完全分离不仅困难，且十分费时，而这种分离对于高精度Hf同位素分析又十分必要；由于Lu在自然界仅由两个同位素组成，质谱分析过程中无法对其进行质量分馏校正。目前TIMS对于ug级Hf含量样品，176Hf/177Hf比值内部精度不超过3510-6，176Lu/177Hf比值不超过1%2%，均不及TIMS对Sm-Nd分析精度的1/5。MC-ICP-MS：多接收器双偶合等离子体质谱(multiplr-collectorinductively-coupledplasmamassspectrometer)以等离子体作为离子源，可对整个质量范围内的元素进行电离，大大提高了电离效率，并保持了传统质谱的优点，即磁分离器和多接收系统。应用MC-ICP-MS不仅提高了分析数据的内部、外部精度，且较TIMS减少了样品分析用量。MC-ICP-MS仪器本身可比TIMS和HOT-SIMS分析耗时缩短约10倍，但使其具有真正意义上的地学应用价值的还得益于样品化学制备流程的显著改进。5.6Lu-Hf等时线年龄应用446475My钙长辉长无球粒陨石Lu-Hf等时线。本图Lu-Hf等时线最初由PatchettandTatsumoto(1980)用TIMS数据发表，目的是以确定176Lu的衰变常数(已知样品的年龄为4.54byr)：1.9410-11yr-1,initial176Hf/177Hf比值为0.279789(2)。Blichert-Toftetal.(2002)用MC-ICPMS方法重新测定，获得了446475My的等时线年龄。陨石等时线说明早期由于Lu-Hf同位素分析采用的是TIMS方法，其测量精度有限；相对于无球粒陨石，球粒陨石的Hf含量太低，难以用TIMS测定。因此，早期的Lu-Hf法的陨石测量，选择了无球粒陨石；尽是MC-ICPMS技术可对球粒陨石进行直接测量，但学术界仍存在两种不同的176Lu衰变常数认知，分别为1.9410-11yr-1(Tatsumotoetal.,1981)和1.8610-11yr-1(Nir-ElandLavi,1998)，阅读文献和应用时须加以注意。加拿大太古宙片麻岩Lu-Hf定年采用1.9410-11yr-1衰变常数获得的等时线年龄为3.580.22Byr(2)。若采用1.8610-11yr-1的衰变常数，等时线年龄增加至3.74Byr.Lu–Hferrorchronforasuiteofwhole-rockAmitsoqgneissesandseparatedzircons.Opensymbolswereomittedfromtheregression.AfterPettingillandPatchett(1981).Lu-Hf等时线定年经典范例：阿尔卑斯造山带榴辉岩Lu-Hf法年龄及其动力学意义•1984年在阿尔卑斯造山带意大利西部DoraMaira地区发现了含柯石英的石英岩类，显示出在造山带形成过程中，这些岩石曾埋于约100km的深度，这一发现引起了人们对阿尔卑斯造山过程的重新思考。阿尔卑斯高压岩石从底向上可划分出Pennine、Ophiolitic和Austro-Alpine三个单元。西阿尔卑斯地区DoraMaira地块、Monvise和Sesia-Lanzo岩带分属这三个单元并广泛分布有榴辉岩类露头。Duchene等应用MS-ICP-MS对西阿尔卑斯三地区榴辉岩全岩样品及其主要造岩矿物，尤其是石榴石、多硅白云母和斜方辉石进行进行了Lu-Hf同位素定年研究，并配以Sm-Nd同位素分析作对比。DoraMaira的柯石英-镁铝榴石-石英岩样品采于Parigi地区，该榴辉岩的平衡温压条件为700C和3GPa。Monvise地区为基性的石榴石-绿辉石-蓝闪岩榴辉岩，其平衡温压条件为450C和1.5GPa。Sesia-Lanzo长英质-榴辉岩的平衡温压条件为550C和1.4GPa。•尽管溶样过程未采用加压溶样弹，可能有部分耐溶液矿物未彻底分解，但这并不影响对矿物的定年。由于具有高Lu/Hf比值，如Sesia和Monvise地区长英质岩石和基性榴辉岩中石榴石的176Lu/177Hf比值分别高达3和8，即使是年轻石榴石也具高放射成因Hf，保证了含石榴石岩石Lu-Hf定年的可靠性(高精度)。注意样品间Lu/Hf与Sm/Nd比值变化范围的区别!注意样品间Lu/Hf与Sm/Nd比值变化范围的区别!DoraMaira全岩-石榴石Lu-Hf定年值为32.81.2Ma，该年龄值与石榴石的U-Pb(35Ma)和Sm-Nd(31.8Ma)及ellenbergerite的U-Pb年龄(32.81.2Ma)相一致。Monvise地区的全岩-石榴石Lu-Hf年龄为49.21.2Ma，与早期发表的多硅白云母39Ar-40Ar年龄相当吻合。Sesia地区样品多硅白云母-石榴石Lu-Hf年龄为69.22.7Ma，仅比锆石(65Ma)和榍石(66Ma)U-Pb年龄稍老，另一份不纯石榴石样品得到的年龄为74.64.1Ma，在误差范围内年龄值基本相符。Monvise样品稀释剂加入量过低，而DoraMaira和Sesia-Lanzo地区样品由于单矿物纯度不够，与Lu-Hf法同时进行的长英质榴辉岩Sm-Nd定年无年代学意义。由此可以看出，由于榴辉岩中石榴石远较其它单矿物Hf含量高，其Lu-Hf定年对矿物纯度的要求远比Sm-Nd法要低。Lu-HfisochronsforeclogitesfromtheItalianAlps.FortheMonvisoandDoraMairaeclogites,onlygarnetandwholerocksweremeasured.FortheSesia-Lanzoeclogite,garnet,clinopyroxene,phengite(amica)andthewholerockwereseparatelyanalyzed.Inallcases,thegarnethasthehighest176Hf/