Question

Sm-Nd法年龄测定及Nd同位素地球化学

Answer 1

6.2.3.1 Sm-Nd法年龄测定

Sm和Nd属于元素周期表第六周期第三副族（亦称镧系元素或稀土族元素，原子序数分别是62和60），都有7个同位素，两元素同位素的相对丰度和放射性同位素的半衰期见表6.4。

Sm-Nd法计时基于¹⁴⁷ Sm经α衰变生成¹⁴³ Nd的衰变反应：

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表6.4 Sm-Nd同位素相对丰度及半衰期

根据衰变定律有：

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考虑样品中初始Nd同位素组成，将式（6.25）两端同除以稳定同位素¹⁴⁴Nd，则有：

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式中：（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_S是样品现今的比值；（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）₀是样品的初始比值；（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_S是样品现今的¹⁴⁷Sm和¹⁴⁴Nd原子数比；λ是¹⁴⁷Sm的衰变常数；t是样品形成的年龄。

Sm-Nd法定年主要应用全岩等时线法或全岩+矿物等时线法，其等时线的构筑方法同Rb-Sr法。要获得可靠的 Sm-Nd 等时年龄，同样要满足下列条件：①所研究的一组样品具有同时性和同源性；②所测样品中，有较为明显的 Sm/Nd比值差异；③在样品形成后，体系保持Sm和 Nd封闭。

147 Sm、¹⁴³ Nd这对母子体同位素同属稀土元素，具有十分相似的地球化学性质，使得放射性成因的子体¹⁴³ Nd 形成后很自然地继承了母体在晶格中的位置，而不会逃逸。而且各种地质作用都很难使 Sm和 Nd 发生分离和迁移，因而Sm-Nd体系一般较易保持封闭。研究表明：如果体系中没有流体参与，经历了角闪岩相甚至麻粒岩相变质作用的岩石，仍能保持 Sm-Nd 同位素系统封闭，从而能获得较正确的变质岩原岩的年龄信息。由于¹⁴⁷ Sm的衰变常数较小，因此 Sm-Nd法通常适合对古老岩石的测年（＞10亿年）。

自然界各岩石的w（Sm）/w（Nd）比值变化范围较小（一般0.1～0.5），在一组同源的硅铝岩石中w（Sm）/w（Nd）比值差异更小，因此，Sm-Nd 全岩等时线法不宜用于对酸性岩进行年龄测定。同源的铁镁质和超铁镁质岩石的w（Sm）/w（Nd）比值变化较大，采用Sm-Nd全岩等时线或全岩+矿物等时线法能获得较好的年龄结果。可用该方法测定陨石、月岩及地球上古老的基性岩和超基性岩类的年龄，Hamet等人（1978年）获得的 Moama无球粒陨石的全岩+矿物等时线法测定的陨石形成年龄为（4580±50）Ma，（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）₀=0.50684±8。

6.2.3.2 Sm-Nd同位素模式年龄

用式（6.26）测年的关键是要知道样品形成时的（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）₀比值，将假设的初始比值代入式（6.26）计算的年龄称为模式年龄，很显然模式年龄的可靠性取决于初始比值的选择。

假设原始地幔岩浆库是一个具有球粒陨石w（Sm）/w（Nd）比值的均一岩浆库（CHUR），并假定地壳岩石的w（Sm）/w（Nd）比值在从CHUR源区分离后w（Sm）/w（Nd）比值保持不变，则地壳岩石在时间t的（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）₀值就是CHUR源区在时间为t的演化值，根据式（6.26）：

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式中：（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_CHUR（t）为CHUR在时间t的比值；（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_CHUR和（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_CHUR分别为CHUR的现代值，其中（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_CHUR=0.512638，（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_CHUR=0.1967。对于地壳样品，根据（6.26）式：

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式中：（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_S（t）为样品在时间为t时的比值；（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_S和（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_S分别为样品的现代值。

由于样品派生于CHUR源区，因此有：

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联立（6.27）式和（6.28）式，并将t改写为T_CHUR，则：

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式中：T_CHUR为样品相对CHUR的Nd同位素模式年龄，代表地壳物质从CHUR中分离的时间或壳幔分异的时间。

随着研究的深入，人们发现随着地壳从地幔中分异，地幔发生了亏损，因而相对于亏损地幔（DM）计算的Nd同位素模式年龄更合理，通过类似T_CHUR的推导，有：

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式中：T_DM为样品相对于亏损地幔的Nd同位素模式年龄，代表地壳物质从亏损地幔中分离的时代；（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_DM和（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_DM分别为亏损地幔现今的同位素比值，以大洋中脊玄武岩（MORB）为代表，其值一般采用（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_DM=0.51315和（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_DM=0.2135（R.G.Miller等，1985）来进行计算。

若岩浆直接派生于亏损地幔物质的部分熔融或分异结晶，则岩浆的结晶年龄与T_DM相近，若岩浆来自于早期地壳物质的再循环或发生过壳幔混合作用，则岩浆的结晶年龄小于T_DM。沉积岩中T_DM（主要为细碎屑岩）一般只代表地壳物质的存留年龄或区域地壳的平均形成年龄。如果地壳物质在其形成后Sm/Nd比值发生了改变，则需要用二阶段或多阶段的模型计算其模式年龄（Liew，1988）。

6.2.3.3 Nd同位素地球化学

由于Nd同位素具有以下特点：①Sm、Nd具有相似的地球化学性质，除岩浆作用过程中w（Sm）/w（Nd）比值能发生一定变化外，其他地质作用很难使Sm、Nd分离，特别是在地质体形成之后的风化、蚀变与变质作用过程中，Sm、Nd同位素通常不会发生分离；②一些太古宙样品的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd的初始比值均落在w（Sm）/w（Nd）比值相当于球粒陨石的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd演化线上，这表明地球早期演化阶段的Nd同位素初始比值与球粒陨石Nd同位素初始比值非常一致，使我们获得了有关Nd同位素演化起点的重要参数；③年轻火山岩Nd同位素研究表明，¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr原子丰度比值之间呈现良好的负相关关系，因此，Nd同位素在探讨地幔、地壳演化、壳幔交换、岩石成因和物质来源等方面有十分重要的意义。

Nd同位素初始比值（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）₀是Nd同位素的地球化学示踪的重要基础，该比值可以通过等时线法获得；对于一个已知年龄的样品，也可以通过实测该样品的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd和¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd原子丰度比值，代入（6.26）式获得。

由于在整个地质时期¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd原子丰度比值变化很小，引入了ε_Nd参数，其含义为：

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式中：ε_Nd（0）代表样品现今的（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_S相对CHUR现今的（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_CHUR比值的偏差值。

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式中：ε_Nd（t）代表样品t时刻（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_S（t）相对于t时刻的CHUR（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_CHUR（t）的偏差值。其中（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_CHUR（t）和（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）_S（t）分别可由式（6.27）和（6.28）获得。

在地球演化过程中，大离子亲石元素一般优先富集在地壳上部的岩石中，为了确切地表示地壳岩石中Nd、Sr同位素组成的变化，还需引进f_Sm/Nd参数，其含义为：

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式中：（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_S和（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_CHUR分别为样品和CHUR的现今比值，f_Sm/Nd表示现今样品（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_S比值相对于现今CHUR的（¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd）_CHUR比值的偏差，地壳岩石一般f_Sm/Nd稳定在-0.3～-0.5之间，平均为-0.4。通过推导：

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式中：Q_Nd=24.7；t为年龄（单位为Ga）。ε_Nd（t）值大于0，表明物质来自亏损地幔；ε_Nd（t）小于0，表明物质来自于地壳或富集型地幔源；ε_Nd（t）接近0，表明物质来自球粒陨石型未分异的原始地幔。

对于Sr同位素也可以用与以上相应的参数来表示：

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以上诸式中：（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_S、（⁸⁷Rb/⁸⁶Sr）_S是样品现今的同位素比值；（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_U.R和（⁸⁷Rb/⁸⁶Sr）_U.R是地球均一储库（U.R）现今的同位素比值，前者为0.7045，后者为0.0827；（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_S（t）和（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）_U.R（t）分别是t时刻样品和地球均一储库的同位素比值；ε_Sr（0）表示样品现今的Sr同位素比值与现今地球均一储库Sr同位素比值的偏差值；ε_Sr（t）表示样品在t时刻的Sr同位素比值与地球均一储库在t时刻Sr同位素的偏差值；f_Rb/Sr表示现今样品（⁸⁷Rb/⁸⁶Sr）_S比值相对于现今地球均一储库的（⁸⁷Rb/⁸⁶Sr）_U.R比值的偏差。

壳幔体系εNd（t）的演化通常用εNd（t）-t 变异图（图6.4）来表示，图中 CHUR线表示相当于球粒陨石的原始地幔的演化线，εNd（t）值恒等于 0；DM线表示亏损地幔的演化线，随着时间的演化εNd（t）向正值增高的方向演化，现今亏损地幔的平均εNd（t）=+10；C线为地壳物质演化线，其稀土元素组成模式右倾（轻稀土大于重稀土），表示从地幔中分异形成的地壳物质向εNd（t）值降低的方向演化，该演化线的陡缓程度取决于地幔分异产物中f _Sm/Nd值的大小，f _Sm/Nd值大，C线陡，f _Sm/Nd值小，C线缓；C线与亏损地幔演化线的交点为 T_DM，与 CHUR线的交点为 T_CHUR。

通常采用Nd、Sr同位素的综合研究来进行壳幔体系的同位素示踪，以ε_Nd（t）-ε_Sr（t）图解（图6.5）为例。该图被ε_Nd（t）=0和ε_Sr（t）=0的两个直线划分为4个象限：

Ⅰ象限ε_Nd（t）＞0，ε_Sr（t）＞0，落于该区域的样品较少，一般是受海水蚀变的蛇绿岩，如Samail蛇绿岩ε_Nd（t）=7.8±0.3，ε_Sr（t）=-20～+30（M.L.McCulloch，1981）。

Ⅱ象限εNd（t）＞0，εSr（t）＜0，源自亏损地幔的样品均落入该象限，如大洋中脊拉斑玄武岩、海岛玄武岩等。

图6.4 壳幔体系εNd（t）-t 演化示意图

图6.5 εNd（t）-εSr（t）图解

Ⅲ象限ε_Nd（t）＜0，ε_Sr（t）＜0，落于该象限的样品也较少，如一些下地壳麻粒岩相岩石ε_Nd（t）为负值，ε_Sr（t）为较小的正值。

Ⅳ象限ε_Nd（t）＜0，ε_Sr（t）＞0，地壳物质的样品主要落于该区域，其中来自上部地壳或年轻地壳的样品落于该象限的上部区域，来自下部地壳物质或古老地壳物质的样品落于该象限下部区域。需要指出的是：相似年龄的地壳物质样品，Nd、Sr 同位素变化仍可各具特色，通常ε_Nd（t）值变化较小，ε_Sr（t）值变化较大，地壳样品中ε_Sr（t）值的变化范围是ε_Nd（t）值变化范围的10～100倍，这表明大陆壳Sr 同位素成分波动较大。

由以上讨论可见，εNd（t）-εSr（t）图解是分析物质来源的有效方法，除此还可根据εNd（t）和εSr（t）的相关性来探讨壳幔演化、壳幔互相作用和地幔不均一性等。