同位素地球化学期末

Sm-Nd同位素测年

Nd和Sm属于轻稀土元素，其中Nd的不相容性大于Sm. Nd离子半径为0.108nm，Sm为0.104nm。由于Sm和Nd的化学性质很相似，因此在地质过程中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，地壳起源熔体的Sm/Nd比值一般低于上地幔起源熔体的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, 随岩浆分异程度增大，残余熔体中Sm和Nd含量升高，Sm/Nd比值有所下降。

一、钐-钕地球化学

Sm和Nd是稀土元素，存在于许多造岩矿物中，如硅酸盐、磷酸盐和碳酸盐矿物中。 钐有七种天然同位素，它们的质量数和同位素丰度分别为： 143147148149

Sm 3.16％， Sm 15.07％, Sm 11.27％， Sm 13.84%， 150152154

Sm 74.7％， Sm 26.63％, Sm22.53％。 钕也有七种天然同位来，其质量数和同位素丰度分别为: 142143143145

Nd 27.13％, Nd2.20% , Nd 23.87%, Nd 8.30％, 146148150

Nd 17.18％, Nd5.72％, Nd 5.6%。 147143-12-111

Sm 通过 a 放射，衰变为Nd，衰变常数为：6.54×10a ，半衰期为: 1.06×10a。 Sm-Nd等时线测年的基本公式为:

143144143144147144λt

（Nd/Nd)样品=(Nd/Nd)i +(Sm/Nd) 样品(e-1)。 147144λt

其中(Sm/Nd)样品(e-1)为直线的bX项，斜率b=eλt-1 ，t=1/λ·ln(b+1)。 Sm－Nd法适合于基性、超基性火成岩的定年，而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稳定的多。对已发生Rb、Sr迁移的岩石仍能用Sm－Nd法进行定年。Sm－Nd法为Rb/Sr比值低或对Rb－Sr不再封闭的岩石的测年提供了一种有效方法。

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Sm的半衰期很长，最适用于对前寒武系的定年。矿物之间的Sm/Nd比值范围较全岩的大，能获得精度更高的年龄。REE的不活动性，对利用矿物等时线测定火成岩结晶年龄非常有利， 但对变质作用的定年则是一个不利的因素. 因为变质作用中矿物有时难以达到同位素的再平衡。

锶、钕同位素示踪原理

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钐-钕法和铷-锶法一样可获得同位素初始比值，目前普遍采用(Nd/Nd)i和8786

(Sr/Sr)i联合示踪岩浆作用过程。其基本原理：以球粒陨石代表地球原始物质的同位素组成，将单阶段衰变到现今的锶-钕同位素组成作为原始地幔的参照系，分析不同岩石同位素的演化特征。

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在(Nd/Nd)i-(Sr/Sr)i图解中玄武质岩石的锶-钕同位素组成表现出三个基本端元： （1）亏损地幔(DMM):

1431448786

(Nd/Nd)i>0.512 (Sr/Sr)i<0.7045； （2）富集地幔 I (EMI): 1431448786

(Nd/Nd)i<<0.512 (Sr/Sr)i<0.7045 ； （3）富集地幔II (EMII): 1431448786

(Nd/Nd)i<<0.512 (Sr/Sr)i>>0.7045 。 下面简单介绍钐钕模式年龄： DePaolo 模式(1976) :

假定地球的Nd在一个均一库中演化, 其Sm/Nd比值与球粒陨石的相等（CHUR）. 地

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2009级地质学 张洪深 2009110055

幔部分熔融生成地壳岩石是引起地球Sm/Nd比值发生变化的主要事件.

地壳岩石在中低级变质作用、剥蚀和沉积作用中，Sm/Nd比值一般不发生变化。此时，地壳岩石的Sm-Nd同位素可用来计算壳-幔分离的时间(模式年龄)。

单阶段钕模式年龄的计算：

岩石R在 t 时刻从地幔中分离时，岩石R和球粒陨石均一库（CHUR）的Nd同位素组成相同。

tt

143Nd143Nd 144Nd144NdCHURR

岩石R从 t 演化到现今 0, 其Nd同位素组成存在以下演化关系: tt143143 NdNd144144 NdRNdCHUR壳-幔分离时 (t) ， 岩石(R) 和球粒陨石均一库(CHUR) 的Nd同位素组成相同。 其中：

t00 143Nd143Nd147Smt144Nd144Nd144Nde1

RRR

t00143143147NdNdSm te1144144144 NdCHURNdCHURNdCHUR整理得： 001143Nd144NdR143Nd144NdCHUR tln100147144147144 SmNdRSmNdCHUR式中 t 代表壳-幔分离时间，0代表现今。

0143 =0.512638 Nd144NdCHUR

0147 == 0.1967（Wasserburg et al., 1981） Sm144NdCHUR

单阶段钕模式年龄的计算

地壳物质不断从上地幔中抽出，使上地幔的Nd相对于Sm亏损, Sm/Nd比值高于CHUR。从亏损上地幔中产生的地壳岩石，其模式年龄应该用亏损上地幔的演化线来计算，才更接近实际。这种模式年龄定义为TDM:

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亏损上地幔 (Nd／Nd)DM = 0.513151

147144

(Sm／Nd)DM = 0.2136 (Wasserburg et al., 1981)



应用钕模式年龄的前提条件：

（1）源区具有与参照系相同的同位素组成，运用亏损地幔的钕模式年龄TDM时，若岩石并不来源于亏损地幔，则模式年龄TDM是无意义的（Rudnick，1990）；

（2）与源区相比，岩石必须有较大的Sm／Nd分镏，某些基性岩浆岩由于没有大的Sm

2009级地质学 张洪深 2009110055

／Nd分镏而不能获得正确的模式年龄；

（3）岩石从地幔进入陆壳后，再未使Sm／Nd值发生变化，否则，需要用两阶段甚至多阶段的模式进行计算（Goldstein et al.，1984；Keto and Jacobsen，1987）。