第4讲 Rb-Sr同位素体系.ppt

第四讲Rb-Sr同位素体系,Fe-Ni陨石左和球粒陨石右,内容提要,Rb、Sr元素地球化学特征Rb-Sr同位素体系地球化学特征Rb-Sr同位素定年原理Rb-Sr定年优点与局限性Rb-Sr同位素应用示例,4.1Rb-Sr元素地球化学特征,Rb为电价1的碱金属第一主族由于其离子半径1.48较大，常被排除于多数矿物结构中；Rb易溶于水和含水相中，故具有较强的活动性；Rb是强不相容元素之一ultra-incompatible；Rb的离子半径与元素K类似1.33，因此常与元素K在云母类矿物和K-长石中形成类质同象。,Rb-Sr元素地球化学特征,Sr为2价碱土金属第二主族，离子半径也较大1.13，故也被多数矿物排斥于结构之中；Sr也溶于水和含水相中，但溶解程度弱于元素Rb；Sr属中等程度不相容元素；Sr的离子半径与元素Ca0.99相似，易于与Ca在长石中形成类质同象。Sr-Ca发生类质同象的其它矿物有方解石、石膏、磷灰石和榍石；Sr趋于在地壳中发生相对于地幔含量的富集作用，但其富集程度小于Rb。,ChangeintheconcentrationofRbandSrinthemeltderivedbyprogressivebatchmeltingofabasalticrockconsistingofplagioclase,augite,andolivine.FromWinter2001AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.,玄武岩批次部分熔融条件下，熔体中元素Rb、Sr的含量随部分熔融程度的变化,Rb/Srratiosforvariousrocks,Ultrabasic0.2Basaltic0.06Granites0.25-1.7Shale0.46Sandstone3,玄武岩与砂岩的Rb/Sr比值相差达50倍,WhataccountsforhugerangeinRb/Srratiosofrocks,RbsubsitutesforKinK-bearingminerals,whileSrsubstitutesforCainCa-bearingminerals;RbandSrarefractionatedbyigneousprocessesRbtendstoprefermeltmoreincompatiblethanSr.,4.2Rb-Sr同位素体系特征,87Rb27.8385Rb72.1788Sr82.5387Sr7.0486Sr9.8784Sr0.56,Sr由四个同位素组成，均为稳定同位素，其中87Sr为87Rb的放射成因同位素。,Rb由两个同位素组成，其中87Rb经-衰变成为87Sr。85Rb为稳定同位素。,,,4.3Rb-Sr衰变方程与等时线,87Rb的半衰期为48.8By，即87Rb1.4210-11yr-1,,Re-Sr法年代学方程,,MANTLE87Sr/86Sr0.702,,,ROCK87Sr/86Sri0.702,Rb/Sr0.6,Rb/Sr1.2,Rb/Sr0.8,tTimeofcrystallization,幔源岩浆具有与地幔相同的Sr初始同位素比值,形成的岩石与地幔的初始同位素比值相同，但不同的结晶矿物却具有不同的Rb/Sr比值,Rb-Sr同位素等时线年龄原理示意图,Aftersometimeincrementt0t1eachsamplelosessome87Rbandgainsanequivalentamountof87Sr,Rb-Sr矿物-全岩等时线示意图注意含钾矿物与不含钾矿物在等时线上的位置,Rb-SrisochronfortheEaglePeakPluton,centralSierraNevadaBatholith,California,USA.Yellowcirclesarewhole-rockanalyses,redcirclesarehornblendeseparates.Theregressionequationforthedataisalsogiven.AfterHilletal.1988.Amer.J.Sci.,288-A,213-241.,4.4Sr定义与UR参数,87Sr/86SrUR0.704587Rb/86SrUR0.0827,,EstimatedRbandSrisotopicevolutionoftheEarth’suppermantle,assumingalarge-scalemeltingeventproducinggranitic-typecontinentalrocksat3.0Gab.pAfterWilson1989.IgneousPetrogenesis.UnwinHyman/Kluwer.,富集地壳演化方向,亏损地幔演化方向,原始地幔演化起点，BABI,岩浆过程与87Sr/86Sr比值,不同岩浆岩87Sr/86Sr比值MORB0.7025Continents0.7119OceanIslands0.704vs.Meteorites0.699,*记住87Rb趋于在岩浆中富集,MORB,,4.5Sr模式年龄,由于受测试技术限制，早期Rb-Sr法仅限于对强富Rb矿物的分析，如锂云母。因这类矿物具极高的87Sr/86Sr比值，通常统一用0.712作为样品的初始比值也不会对测年结果带来明显误差。由此对单一样品进行Rb-Sr同位素分析，并假定其初始比值而计算获得的年龄称Sr模式年龄。随分析技术提高，测试对象扩大到了白云母、黑云母、钾长石等矿物，但研究者发现用0.712作为统一的Sr同位素初始比值带来了样品间的矛盾CompstonandJeffery,1959，催生了具时代意义的同位素体系等时线方法Nicolaysen,1961。,4.6BABI,BABI定义BasalticAchondriteBestInitialBulkEarth,undifferentiated,玄武质无球粒陨石等时线年龄与BABIPapanastassiouandWasserburg1969,提示通过从Juvinas和Ibitira陨石中分离单矿物进行测量后BirckRmetamorphicre-homogenisation;2periodfrommetamorphismtopresentday.,提示变质热事件使钾长石和斜长石发生了Sr同位素重置，即所有矿物Sr同位素组成均一化。但作为全岩体系，其Sr同位素组成则相对保持封闭。,,,,,原岩年龄与变质年龄,Rb-Sr反等时线Provost,1990,提示全岩等时线封闭，获得了原岩年龄；长石和黑云母矿物发生开放，与全岩样品构成了变质事件等时线。,封闭温度与封闭年龄,SchematicdiagramtoshowvariationoftemperatureandSrisotoperatiowithtimeinamineralcoolingfromaregionalmetamorphicevent.T0peakmetamorphictemperature;TCclosureor‘blocking’temperature;tCapparentclosureage.AfterDodson1973.,peakmetamorphictemperature,closureor‘blocking’temperature,,,apparentclosureage,,同位素封闭温度,,实例北秦岭新元古代宽坪群玄武岩Rb-Sr同位素体系开放,4.8沉积作用和成矿作用定年,对成岩过程形成的自生矿物进行分析，可获得沉积岩的沉积年龄,Rb-Srisochrondiagramforwhole-rockshales;separatedillites;andacarbonatesamplefromMauritania.Numberedwhole-rocksamplesarediscussedinthetext.AfterClauer1979.,毛里塔尼亚[非洲]前寒武纪地层Rb-Sr法定年图例页岩全岩伊利石碳酸盐,Rb–SrisochrondiagramforsphaleritegrainsfromtheCoymine,Tennessee.sphaleritehost;fluidinclusions.Opensymbolwasexcludedfromagecalculation.AfterNakaietal.1990,美国田纳西州Coy铅-锌矿床闪锌矿Rb-Sr等时线年龄图例闪锌矿矿物流体包体,用Rb-Sr等时线测定矿床形成年龄,4.9获得有意义Rb-Sr等时线的要求,A.同位素母子体同位素元素比值和放射成因Sr同位素比值变化范围应足够大通常Sr同位素比值的测量精度为10ppm10-6，若样品间放射成因Sr的同位素比值差小于或仅数倍于这一数值，则难以获得具地质意义的年龄，因为等时线年龄线性回归计算的年龄误差是样品间87Rb/86Sr及87Rb/86Sr比值差值或变化范围的函数。当分析误差确定时，组成等时线样品的Rb/Sr比值特征决定了等时线年龄的精度；,获得有意义Rb-Sr等时线的要求,B.选择有代表意义的样品Rb、Sr元素易溶于水，在变质作用影响下可发生活化mobilization，而富集Rb的云母类矿物也容易发生体系开放。因此，当选择单矿物样品进行Rb-Sr定年时，了解矿物的成因和岩石学特征十分重要。通常较大体积的样品比小体积样品更趋于保持同位素体系的封闭；全岩样品较单矿物样品能相对地保持封闭；新鲜样品相对保持封闭；远离蚀变带的样品相对保持封闭；,Rb-Sr同位素定年方法的局限性由于Rb-Sr元素的易活动性，当所研究的地质体发生过有流体作用参与的变质作用后，其同位素体系可能发生不同程度的开放，若开放过程不能导致体系内同位素组成均一化时，其结果可能是无地质意义的混合线，或根本不能形成等时线。因此难以获得原岩的形成年龄。结论Rb-Sr法不太适合于对较高变质程度的地质体进行原岩形成时代定年。注意足够大体积的全岩样品仍可能获得原岩年龄，而变质作用使得体系Sr同位素组成达新的均一化的样品，可获得变质事件的年龄。,4.10Sr同位素循环示踪研究,,,海水Sr同位素组成与壳幔Sr循环影响海水Sr同位素组成的大陆因素Lowrunoutduringsupercontinentassembly.Highrunoutduringcontinentaldispersal.AfterDePaolo.,1987,SimplifiedcirculationmodelforthepresentdayseawaterSrbudget.ModifiedafterDePaolo1987.,,,SrFluxesintotheOceans,ContinentalSrisradiogenic-haselevated87Sr/86SraverageriverSr-87Sr/86Sr0.7119MantleSrisunradiogenic-haslow87Sr/86SraverageMORBSr-87Sr/86Sr0.703,35亿年以来海相碳酸盐Sr同位素组成及其对海水Sr同位素组成演化的指示。对比地幔Nd同位素演化,Srisotopecompositionofmarinecarbonatesoverthelast3.5Byr,fromwhichtheisotopicevolutionofseawaterisdeducedshadedband.AfterVeizerandCompston1976.,注意演化线来自数据的取下限值,,,地球形成以来，大陆地壳、海水及上地幔Sr同位素演化曲线，注意对比海水元古宙时期的突然升高与大陆地壳相应值的对应关系。问题为什么会有这种关系我的答案估计是与元古宙时期的地壳增生事件有关,显生宙碳酸盐与海水Sr同位素组成,SrisotopedataforPhanerozoiccarbonates.Solidlineindicatesthelowerboundofmostofthedata,whichisthemostprobableseawaterSrcomposition.AfterBurkeetal.1982.,演化曲线取下限,,DSDP钻孔中新生代有孔虫记录的Sr同位素连续增高的演化线,PlotofSrisotoperatioagainstageforforamsfromeightDSDPholesdistinguishedbysymbolshape.Solidsymbolsandcrossesindicatemostreliabledata;opensymbolsmaybeslightlydisturbed.AfterHessetal.1986.,,地层界线处的突变点,,,,,,,,,,4.11Sr同位素对地球动力学事件的指示,DSDP钻孔中新生代有孔虫记录的Sr同位素在K-T地质界线处的突然下降，被认为可能是星外陨石撞击地表的结果来自低放射成因Sr的影响。,,显生宙冰川侵蚀强度与海水Sr同位素演化的对应关系,Illustrationofaglacial-erosionalmodeltoexplaintheseawaterSrevolutioncurveofPetermanetal.shadedband.AfterArmstrong1971.,海水,冰川,1亿年以来海水Sr同位素组成相对变化速率。注意约65和20Ma处的突变。,,AfterRichteretal.1992.,喜马拉雅山脉隆生导致河流搬运大量地壳物质进入海洋,,