南京大学同位素地质学-06Sm-Nd同位素年代学

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。6.1Sm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1.15Å到Lu(Z=71)的0.93Å。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1.08Å，Sm3+为1.04Å。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。6.2Sm－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（LugmairandMarti,1977）。aT821100.1QNdSm1436014762aT11211006.1QSmGd1466415064aT621108.1QNdSm1426014662aT821100.1与Rb-Sr体系相似，147Sm衰变与143Nd的增长可用下式描述：1144147144143144143tieNdSmNdNdNdNd式中＝6.54×10-12a-1，是许多测定的加权平均值（LugmairandMarti,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（DePaoloandWasserburg,1979）提供了Sm-Nd法应用的一个很好的例子。0.000.040.080.7020.7030.7040.7050.706Minerals2.7GareferencelinePLCPXCPX87Rb/86Sr87Sr/86Sr0.00.10.20.30.5080.5100.5120.514Minerals2701+-8MaCPXCPXWRPL147Sm/144Nd143Nd/144Nd0.120.160.200.240.5110.512WholeRocks2701Mamineralisochron147Sm/144Nd143Nd/144Nd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。0.000.040.080.7020.7030.7040.7050.706Minerals2.7GareferencelinePLCPXCPX87Rb/86Sr87Sr/86Sr0.00.10.20.30.5080.5100.5120.514Minerals2701+-8MaCPXCPXWRPL147Sm/144Nd143Nd/144Nd0.120.160.200.240.5110.512WholeRocks2701Mamineralisochron147Sm/144Nd143Nd/144Nd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等时线年龄3540±30Ma(Hamiltonetal.1979;Jahnetal.1982)6.4高级变质岩定年Sm-Nd法常用于测定其它同位素体系已被重置的高级变质火成原岩的年龄。例如：苏格兰西北部的Lewisian片麻岩：麻粒岩相和角闪岩相片麻岩的全岩Rb-Sr、Pb-Pb和锆石U-Pb年龄基本一致，分别为2630±140、2680±60、2660±20Ma（Moorbathetal.,1975;ChapmanandMoorbath,1977;PidgeonandBowes,1972）。但是，这些片麻岩一般都很亏损Rb和U，因此在变质亏损过程中，对Rb和U等元素而言，即使很大的全岩样品也可能是开放体系。Hamiltonetal.(1979)对一套全岩样品（包括层状基性岩和英云闪长岩）进行了Sm-Nd定年，获得等时线年龄2920±50Ma，0.100.150.200.250.5110.5120.513Rb-Sr=2630K-Ar=2680U-Pb=26602920+-50Ma147Sm/144Nd143Nd/144Nd说明该片麻岩在麻粒岩相变质过程中对Sm-Nd而言仍为封闭体系。因此该Sm-Nd年龄被解释为火成原岩的形成年龄。Whitehouse（1988）进行了更详细的研究，基性岩和中-酸性岩分别进行Sm-Nd定年，结果表明：层状基性岩的Sm-Nd年龄保持在2.91Ga；中-酸性岩全岩的Sm-Nd等时线年龄（2600±155Ma）与锆石U-Pb年龄基本一致,说明中-酸性岩全岩Sm-Nd体系已被重置。Sm-Nd法有时也被用于高级变质矿物(变质事件)的定年。然而，REE的不活动性，对测定火成岩结晶年龄非常有利，但对变质作用的定年却成为不利因素，在高级变质作用中，矿物Sm-Nd体系可能受到很大的扰动，但要完全重置不太容易。挪威西部的加里东榴辉岩提供了这方面的一个例子（MorkandMearns,1986）：辉长岩已经转变为具有榴辉岩的矿物成分（石榴石和绿辉石），但仍保留残余火成结构，其Sm-Nd同位素在加里东变质过程中没有达到平衡；而附近已转变为榴辉岩的围岩形成一条分散性很小的Sm-Nd等时线（MSWD=0.1），其年龄为加里东变质年龄（400±16Ma）。这两种榴辉岩的Sm-Nd同位素差别，不可能是由P-T条件不同引起，因为两者相距不到1km。但围岩榴辉岩由于贯透性变形和重结晶，已经完全丧失了其原岩的组构。MorkandMearns因此建议，这种物理上的变动，对于矿物相之间达到完全的Nd同位素平衡可能是必须的。6.5热液矿床Sm－Nd定年加拿大SullivanPb-Zn-Ag矿床电气石Sm－Nd等时线年龄，代表早期热液矿化时代（Jiangetal.,2000)热液矿床Sm－Nd定年湖南沃溪Au-Sb-W矿床白钨矿Sm-Nd等时线（彭建堂等，2003）湖南锡矿山与早期（A）和晚期（B）硫化物同期的方解石的Sm－Nd等时线（Pengetal.,2003)热液矿床Sm－Nd定年