第六讲-Lu-Hf法

第六讲Lu-Hf同位素体系锆石钙铝榴石Lu-Hf同位素体系元素地球化学特征同位素地球化学特征定年原理Hf与模式年龄Hf同位素示踪研究与意义6.1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与Ti、Zr同属第IV副族元素。Zr、Hf具相似的地球化学性质；元素地球化学特征Hf具+4离子电价，离子半径在6次配位中为0.71Å，8次配位中为0.83Å；Zr同样具+4离子电价，离子半径在6次配位中为0.72Å，8次配位中为0.84Å；Ti也表现为+4价离子，但其离子半径相对较小(0.61Å)；Zr与Hf具相似的地球化学性质，被称为地球化学孪生元素(GeochemicalTwins)，类似的元素对有Nb-Ta。元素地球化学特征Lu是弱-中等不相容元素，与Sm相似；Hf是中等不相容元素，与REE中的Nd相似；Lu-Hf同位素体系与Sm-Nd同位素体系类似，即母、子体元素均难溶于水，在变质作用过程中不易活动而保持相对稳定。因此，地球系统的Lu/Hf比值应具有球粒陨石的演化趋势。6.2Lu-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的电子捕获衰变只占其总衰变量中很少部分，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：依据放射性衰变方程，可获得Lu-Hf年代学方程：Lu-Hf放射性体系特征176Lu的衰变常数为1.9310-11yr-1。176Lu的半衰期T1/2(35.9Ga)短于Sm-Nd和Rb-Sr体系中的147Sm和87Rb的半衰期(分别为106Ga和49.9Ga)，该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(约3倍于143Nd的增长速度)。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体系地球化学性质除地质事件定年外，Lu-Hf同位素体系的潜在应用领域包括星体增生过程、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).6.4Lu-Hf同位素体系的特殊性与Sm-Nd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；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，可导致两元素间相对分离。问题：为什么随沉积物的变化会发生Lu/Hf比值的相应变化？(HfvsZr)PlotofLu/HfversusSm/Ndratioindifferentsedimenttypes,showingthatlargefractionationsinLu/HfarenotaccompaniedbysignificantchangesinSm/Nd.AfterPatchettetal.(1984).沉积物粒度减小方向不同沉积物质在147Sm/144Nd相近条件下，其176Lu/177Hf比值存在明显差异。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体系间发生脱偶现象(Decoupling)：下地壳176Hf/177Hf相对143Nd/144Nd偏高。两同位素体系间的偶合或脱偶关系，可为认识壳幔分异和地壳增生历史提供重要的约束。6.5测试技术：从TIMS到MC－ICPMSTIMS:多接收系统热电离质谱推动了Sm-Nd同位素体系在地学中的广泛应，但对Lu-Hf同位素则存在测定困难：Hf一级电离能高，不仅电离率低，且需极高的灯丝电流。多数地质样品Hf含量低，限制了适用样品的范围；样品化学制备中Hf与Ti、Zr的完全分离困难，且十分费时，而这种分离对于高精度Hf同位素测量又十分必要；Lu由两个同位素组成，质谱分析无法对其进行质量分馏校正。对于ug级Hf含量样品，TIMS的176Hf/177Hf比值内部精度不超过3510-6，176Lu/177Hf比值不超过1%2%，均不及对Sm-Nd分析精度的1/5。MC-ICP-MS多接收器电感偶合等离子体质谱(multiple-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，大幅提高了电离效率，并保持了传统质谱的优点，即磁分离器和多接收器系统。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，而化学制备流程的显著改进使其进入了真正的地学应用。6.6Lu-Hf等时线年龄应用446475My钙长辉长无球粒陨石Lu-Hf等时线。该等时线最初由PatchettandTatsumoto(1980)用TIMS数据发表，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Lu-Hf同位素分析采用TIMS，其测量精度有限；相对于无球粒陨石，球粒陨石因Hf含量太低而难以用TIMS测定，故选择了无球粒陨石；176Lu衰变常数的应用并不统一，包括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。Iizukaetal.,2017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).斜长角闪岩全岩样品(Rizoetal.,2011)：封闭样品：开放样品IsuaSupracrustalBelt(ISB,SWGreenland)太古宙基性岩石定年Sm-Nd与Lu-Hf法对比注意观察太古宙岩石的两种同位素体系开放程度Sm-NdLu-Hf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，这些岩石曾俯冲于约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。榴辉岩样品特征单元露头岩性tPPennineDoraMaira柯石英-镁铝榴石-石英岩700C3GPaOphioliticMonvise石榴石-绿辉石-蓝闪岩榴辉岩450C1.5GPaAustro-AlpineSesia-Lanzo长英质-榴辉岩550C1.4GpaDuchene等(1997)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，并配套Sm-Nd同位素分析作对比。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3.69和8.00，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，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/177Hf.DatawereobtainedbytheICPMStechnique.AfterDucheneetal.(1997).阿尔卑斯造山带三个单元Lu-Hf等时线年龄(Ducheneetal.，1997)石榴石高点石榴石高点石榴石高点年代学数据是否具地质意义取决于同位素体系的封闭性：结晶温度是否高于或低于封闭温度。如锆石U-Pb年龄确定锆石的结晶年龄，而K-Ar年龄反映晚期的封闭年龄。目前对Hf在普通矿物中的扩散速度缺乏了解，难以判断榴辉岩石榴石Lu-Hf年龄反映的是封闭还是结晶年龄。六次配位的Hf4+离子半径(0.083nm)介于Mg2+(0.072nm)和三价REE(0.11nm)之间。对比Fe-Mg温度计和Sm-Nd计时计，含石榴石岩石Lu-Hf体系的封闭温度应高于600C，因而Lu-Hf计