Lu-Hf同位素体系 pdf

Lu-Hf 同位素体系简介一、Lu-Hf 同位素镥是一种稀土元素，镥在沉积岩、变质岩和火成岩中的分布相当广泛，但含量很低。

自然界中镥的重要载体矿物是磷灰石、榍石、锆石、石榴石、黑云母及某些稀土矿物（如独居石、黑稀金矿、铌钇矿、褐帘石和硅铍钇矿等）。

镥有两个天然同位素：175Lu 和176Lu 。

它们的相对丰度分别为97.39%和2.61%。

176Lu 为放射性同位素，通过β—衰变形成更稳定的176Hf 。

铪是一种分散元素，其化学性质和离子半径与锆石非常相似，因而常以类质同像替换锆的方式进入许多矿物的晶体结构，其中以锆石中铪的含量最高。

铪有6个同位素：174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf,180Hf ，它们的相对丰度分别为：0.20%，5.2%，18.6%，27.1%，13.7%，35.2%。

其中174Hf 是放射性同位素，它通过α衰变形成稳定的170Yb 。

二、Lu-Hf 法定年基本原理：173176Lu Hf E含镥岩石或矿物的年龄可根据下式计算：173177176177176177/(/)/(1)t i Hf Hf Hf Hf Lu Hf e176Lu 的衰变常数λ=1.94±0.07×10-11a-1。

对于满足等时线年龄测定的一组样品，可采用与Sm-Nd 和Rb-Sr 法相似的等时线方法来测定样品的Lu-Hf 等时线年龄。

适合于Lu-Hf 同位素年龄测定的常见矿物为磷灰石、石榴石和独居石。

锆石的镥含量虽高达24×10-6，但因其铪含量太高；硅铍钇矿虽具有很高的镥含量，但因其极少见，因而这两个矿物通常不适合用于Lu-Hf 年龄的测定对象。

三、Lu-Hf 法定年实例1.含石榴石变质岩的Lu-Hf 同位素定年石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一中非常常见的矿物。

石榴石具有较高的Hf 封闭温度和其中大多数包裹体矿物较低的Hf 含量使Lu-Hf 法比Sm-Nd 和Pb-Pb 法有更优越的特点。

1.1石榴子石Lu-Hf 封闭温度对封闭温度的解读是诠释放射性同位素年龄代表矿物生长/结晶年龄或冷却年龄的重要前提。

放射性同位素母子体在特定矿物中的封闭温度与其活化能、元素扩散系数、岩石冷却速率以及矿物颗粒大小和开头等因素密切相关。

目前一般认为石榴子石Lu-Hf体系封闭温度高于700℃，高于或者等于同等条件下石榴子石Sm-Nd体系的封闭温度。

1.2包裹体的影响变质岩中石榴子石中常见大量的固相包裹体，例如单斜辉石、角闪石、绿泥石、云母、锆石、磷灰石、金红石和榍石等。

这些常见包裹体矿物中，富集Lu元素的磷灰石和含大量Hf的锆石和金红石包裹体对石榴子石Lu-Hf定年的影响不容忽视（图1），其他常见矿物包裹体对石榴子石Lu-Hf体系的影响则非常有限。

图1 锆石对于石榴子石Lu-Hf等时线影响示意图1.3以大别榴辉岩为例的Lu-Hf年代学图2 大别榴辉岩样品SH02的石榴子石—全岩176Lu/177Hf-176Hf/177Hf等时线图石榴子石—全岩的等时线图见图2。

全岩与石榴子石的176Lu/177Hf比值范围为0.01~0.05，得到的等时线年龄为254±16Ma，初始176Hf/177Hf比值为0.282121±0.000010，MSWD=0.35，对应的εHf（254Ma）=-16.6。

石榴子石Lu-Hf 定年方法由于石榴子石生长的复杂性，需要考虑多种因素对Lu-Hf 年龄结果的影响，才能赋予年龄正确的地质意义。

2.含磷灰石岩石的Lu-Hf 同位素定年磷灰石是另一个Lu/Hf 比值较高的矿物，由于该矿物不仅产于通常的岩浆岩和变质岩中，在沉积岩中也经常出现，因而也是进行沉积作用定年代的重要对象。

岩浆岩，特别是镁铁质岩浆岩由于经常缺乏锆石等适合测年的矿物，成为年代学研究中的一个难点。

Barfod et al. (2003)对Gardiner 、Skaergaard 和Khibina 三个侵入体岩石中的磷灰石、异性石、榍石和全岩进行了Lu-Hf 同位素测定，所获得的等时线年龄分别为53.53±0.53、60.18±0.45和402.4±2.8Ma （采用的176Lu 衰变常数为1.869×10-11）。

之后，Larsson and Soderlund (2005)对瑞典南部含Fe-Ti 矿化的镁铁质堆晶岩进行了测定，其磷灰石、斜长石和全岩构成一条1204.3±1.8Ma 的Lu-Hf 等时线，这一年龄也与用其它方法获得的年龄一致。

3. 岩石圈地幔的Lu-Hf 同位素定年岩石圈地幔的定年一直是固体地球科学研究的难点，一方面是缺少常见的定年矿物，其二是地幔的温度高，通常的同位素体系在地幔中不能封闭。

此外，岩石圈地幔在形成后大多经历过后期交代作用。

因此，传统的Sr-Nd-Pb 等同位素大多采用Re-Os 法来对此年龄加以限定，但Re 的活动性质使获得年龄的解释复杂化。

因此，近几年来，各国学者都在努力探索Lu-Hf 法对岩石圈地幔定年的可行性。

从理论上来说，Lu-Hf 同位素体系具有较高的封闭温度，并有可能在岩石圈地幔形成后一直保持封闭，从而可以给出可信的年龄。

四、Hf 同位素在地质学中的应用1.Hf 同位素示踪的基本原理Lu 与Hf 均为难溶的中等—强不相容性亲石元素，这一点与Sm-Nd 体系有很大的类似性。

因此，Hf 同位素示踪的基本原理与Nd 同位素相同。

1.1Hf 同位素研究中的有关公式176177176177,0176177176177176177176177,017617717617717611(0)((/)/(/)1)10000()((/)(/)(1))///11)100001/ln 1((/)(/)/((/Hf S CHUR t t Hf S S CHUR CHUR Hf S DM Hf Hf Hf Hf t Hf Hf Lu Hf e Hf Hf Lu Hf e T Hf Hf Hf Hf Lu 77176177211176177176177/)(/))()(()/())(/)/(/)1S DM Hf Hf Hf cc s cc DM Lu Hf S CHUR Hf Lu Hf T T T t f f f f f Lu Hf Lu Hf其中， (176Lu/177Hf)S 和 (176Hf/177Hf)S 为样品待测值， (176Lu/177Hf)CHUR =0.0332， (176Hf/177Hf)CHUR,0=0.282772； (176Lu/177Hf)DM =0.0384， (176Hf/177Hf)DM =0.28325。

f cc ，f s ，f DM 分别为大陆地壳、样品和亏损地幔的f Lu/Hf 。

T 为样品形成时间，λ=1.867×10-11year -1。

1.2Nd-Hf 同位素的相关性和解耦Sm-Nd、Lu-Hf体系的相似性导致Nd与Hf同位素间呈现正相关（Vervoort and Patchett,1996），并提出εHf(t)≈2εNd(t)的关系式。

但这两个体系仍存在一定的差别：（1）在部分熔融过程中，Lu/Hf元素的比值变化范围要大于Sm/Nd的变化范围。

同时，176Lu的半衰期（36Ga）要比147Sm的半衰期（108Ga）差不多要短三倍，从而出现在相同的时间内，Hf同位素比值的变化要大于Nd同位素的变化（约两倍关系），这也使得Lu-Hf体系还可适应于年轻体系的研究；（2）在风化作用过程中，不同产物的Sm/Nd比值不会发生很大的变化；但对Lu-Hf体系，情况变得不同。

因为，Hf主要与Zr结合而赋存在锆石中，在岩石风化过程中，锆石主要在粗粒的碎屑沉积物中富集；而细粒的沉积物，如粘土，其锆石的含量很少。

因此，不同风化程度岩石的Lu/Hf比值有很大的变化范围，这一现象又称“锆石效应”(zircon effect, Patchett et al.,1984)。

但是Vervoort el al.(1999)对100余个沉积岩样品的测定发现，所谓的锆石效应并不明显。

（3）尽管Hf、Nd同位素存在一定的正相关性，但与Sm-Nd体系中Sm的Nd同属稀土元素的特点不同的是，Lu属稀土元素，而Hf属高场强元素，因而Lu和Hf的地球化学性质存在显著差异。

这样在岩石变质和岩浆作用过程中，有可能εHf和εNd之间并不存在预想的线性关系，即存在Nd-Hf同位素的解耦。

图3 下地壳麻粒岩的Nd-Hf同位素变异图但是，尽管局部地区存在Nd-Hf同位素解耦的实例，但下地壳麻粒岩Nd-Hf 同位素间的线性关系仍非常清楚（图3），表明在宏观尺度上，石榴石可能并未进入熔体相，或者在下部地壳中，石榴石出现的时间较短而不足以产生放射性成因Hf的积累。

表1 重要地球化学储源库现今Hf同位素组成储源库名称176Lu/177Hf 176Hf/177Hf f Lu/Hf球粒陨石0.0332±2 0.282772±29 0.00亏损地幔0.0384 0.28325 0.16 下地壳（镁铁质）0.022 -0.34上地壳（长英质）0.0093 -0.72 平均地壳0.015 -0.551.3重要地球化学储源库的Hf同位素组成表1列出了目前相对确定的球粒陨石和亏损地幔的Hf同位素组成，对不同类型富集地幔及地壳等的Hf同位素组成目前还缺乏应有的研究。

1.4锆石Hf同位素示踪在Hf同位素示踪研究中，锆石是一个非常重要的矿物。

由于该矿物具有较高的Hf含量，但Lu的含量又极低，从而导致其176Lu/177Hf具有非常低的比值。

因此，锆石在形成后基本没有明显的放射性成因Hf的积累，所测定的176Hf/177Hf 比值基本代表了其形成时体系的Hf同位素组成。

运用锆石Hf同位素示踪地质演化具有一系列的优越性。

首先，锆石在大多数岩石中都存在，而且极抗风化；其二，锆石具有很高的Hf同位素体系封闭温度；第三，锆石具有较高的Hf含量和极低的Lu/Hf比值，因而由年代不确定性引起的176Hf/177Hf比值误差有限；第四，和Nd同位素不同，一个岩石若由多种组份构成，则我们可以通过获得多组锆石来认识它的演化，而对于该岩石，我们获得的同Nd同位素数据只有一个。

1.5Hf同位素模式年龄的解释就锆石的Hf同位素示踪而言，我们在大多数情况下还应考虑其两阶段的模式年龄，基本原理如图4所示。

图4 单阶段与两阶段Hf模式年龄计算示意图假设2.5Ga时亏损地幔熔融形成玄武质下地壳岩石（地壳形成事件，模式年龄的涵义），而该岩石在1.0Ga时发生再熔融形成花岗岩（地壳物质再循环）。