同位素地质年代学-Sm-Nd法
北冰洋西部沉积物黏土的Sm-Nd同位素特征及物源指示意义
摘 要 ：通过 对北冰 洋西部 （ 楚科 奇海及 北部边 缘地 带 、 加拿 大海 盆 ）４个表 层 沉积 物样 品 中黏 土组 ３ 分 的 Ｓ Ｎｄ同位 素分析 ， 果表 明 ：１ 黏土组 分的 Ｓ Ｎｄ同位 素分异 明显 ， ｍ— 结 （） ｍ 可将 沉积 物划 分 为北
取 样 深 度 为 ０ ５ｃ ～ ｍ。
来源
， 结 果往 往 受 到沉 积物 粒 度 等 因子 的 制 但
黏 土组 分 的 同位 素 分 析 流 程 大 致 分 为 黏 土提
约 。Ｓ Ｎｄ同 为 稀 土 元 素 ，” ｍ， 。 Ｎｄ是 长 周 期 放 射 性
取 、 ｍ Ｓ Ｎｄ分离 及同位 素测 试 两部 分 。对 黏土 组 分
部 、 部 、 部 和 东 部 等 多个 同 位 素 物 源 区 ；２ 在 楚 科 奇 海 ， 平 洋 入 流 的 向北 输 运 自西 向东 形 成 西 南 （） 太 了 ３个 不 同 的 同位 素 物 源 区 ， 积 物 的 ｃ Ｈ Ｓ ／ （ Ｎｄ 比 值 、 （ ） 和 丁 年 龄 自西 向东 呈 递 沉 （ ｍ）ｃ ） ｅ ０值
究 所 所 长基 金 项 目（ ０ ７Ｆ ９ 。 ２ ０ ０ ） 作 者 简 介 ： 志 华 （ ０ ） 男 ， 南省 宁 乡县 人 ， 究员 ， 事 海 洋 沉积 学 研 究 。Ｅ ｍａ ： ｈ ｎ ｉ ｆ 。ｒ ｎ 陈 １７ 一 ， 湖 ９ 研 从 ｉ ｃ ｅ ｚ ＠ ｉ ｇ．ｃ ｌ ａ 。
同位素地质年代学
238U(原子序数92)经过自发裂变成为两个不同原子序数的产物核，
典型的大约40和55(Zr和Cs)，伴随着其它粒子和大量的能量。由 于重母体核素具高的中子/质子比，子体产物具过量的中子通过放 出β射线发生同量异位衰变。
N. Jakubowskia et. al., Spectrochimica Acta 53B (1998) 1739–1763
飞行时间质谱 (Time-of-flight MS)
Oklo矿床的Nd同位 素成分是非常特征 的(图3)。142Nd不受 富中子裂变产物的 同量异位素衰变影 响，因此它的丰度 指示了正常 Nd的水 平。校正了由143Nd 和145Nd大截面核素 因中子捕获而增高 的144Nd、146Nd丰度 后，Oklo 的Nd具有 非常类似于正常反 应堆裂变废物同位 素组成。
课程要求：
1. 完成三次课后作业(占总成绩的50%) 2.随机2-3次考勤(占总成绩的10%) 3.不少于5篇参考文献的结课报告(占总成绩20%) 4.课程研讨(占总成绩的20%)
同位素地质年代学
第一章 核衰变与分析技术 在同位素地质学领域， 中子、质子和电子可认 为是原子的基本组成部 分。一个给定类型的原 子(称为核素)成分由核中 特定的质子数(原子序数， Z)和中子数(N)来描述。 它们的总数就是质量数 (A)。对所有核素通过在 质子数Z对中子数N的关 系图，就可获得核素图 (至少瞬间存在) （图1）。 图1
§1.3 分析技术 为了使用放射成因同位素作为定年工具与示踪剂，必须使用 先进、精确的仪器将不同质量的核素分离开，这种仪器就是现代 广泛使用的质谱计。在这种仪器中，使用扇形磁铁，使真空下离 子化的核素先通过高电压加速，然后在磁场中分离不同质荷比的 核素。
Sm-Nd同位素法在地质学领域中的应用
Sm-Nd同位素法在地质学领域中的应用摘要：Sm-Nd同位素法是上世纪70年代兴起的测年、示踪方法。
随着技术的进步，近年来，一些学者把它用在沉积学的物源区分析上，并取得了一定的成果，虽然存在一些问题，但微区原位Sm-Nd同位素法正蓬勃发展。
关键词：Sm-Nd同位素；定年；示踪；微区原位1引言Sm-Nd同位素法的根据是天然放射性同位素Sm147经过一次α衰变[T1/2=1.060±0.008×1011年（1σ）]以后生成稳定同位素Nd143。
这一地质学方法直到上世纪70年代才正式建立，原因之一是Sm和Nd的地球化学性质极为相似，在岩浆分异与岩石形成的过程中Sm/Nd的化学分馏作用很小，通常143Nd/144Nd比值的变化范围只有千分之几到万分之几；又因为147Sm半衰期较长，在45亿年内陨石中143Nd/144Nd比值的增加还不到1.2%,而143Nd/144Nd比值变化万分之一将导致40Ma的误差。
因此，需要精度高达十万分之几的质谱计才能满足Nd同位素分析和地质年龄测定的要求。
另一个原因是Sm和Nd的化学分离难度较高, 因为Sm 和Nd的化学性质非常相似, 它们在岩石矿物中的含量又很低。
六十年代后期，由于登月计划的实现和板块学说的兴起，大大地促进了同位素地质学的发展。
数字化信息处理的高精度专用质谱计的问世与超微量低本底同位素化学实验室的建立，导致同位素地质学在技术上产生了一次大飞跃。
正是在这样优越的技术条件下，147Sm一143Nd这一对母子体同位素才正式进入同位素地质学的研究行列。
因此，Sm一Nd法的建立可谓是同位素计时示踪在理论上和技术上高度发展的标志之一。
2Sm-Nd的地球化学性质Sm和Nd是化学元素周期表中第三族镧系元素中的两个成员（它们又统称为稀土元素）它们的化学性质、物理性质、矿物化学性质和地球化学性质十分类似。
因而它们在自然界常常是密切共生。
简单的化学分离手段难于将它们分开。
Sm—Nd同位素法地质年龄的测定
Sm—Nd同位素法地质年龄的测定作者：梁培基王广武兴龙焦天佳来源：《科学与财富》2014年第11期摘要：同位素地质学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发展起来的一门新兴学科。
它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成和地质事件发生的时代，以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。
主要对Sm-Nd法同位素测年的研究现状、研究方法、适用对象、年龄测定、特点等方面予以简要总结和介绍。
关键词：Sm-Nd同位素测年；方法；特点1 Sm-Nd法同位素定年方法简介Sm在自然界有7个同位素，144Sm（3.16%），147Sm（15.07%），148Sm（11.27%），149Sm（13.84%），150Sm（7.47%），152Sm（26.63%），154Sm（22.53）。
Nd在自然界也有7个同位素，142Nd（27.09%），143Nd（12.14%），144Nd（23.83%），145Nd（8.29%），146Nd（17.26%），148Nd（5.74%），150Nd（5.63%）。
147Sm和148Sm具有放射性，通过α衰变转变成143Nd和144Nd。
144Nd也具有放射性，通过α衰变转变成140Ce，但是由于其极端长的半衰期（2.1×1015a），放射性所引起的变化可以忽略，实际上可作为稳定同位素看待。
由于148Sm衰变半衰期十分长（7×1015a），目前在地质应用上尚无价值。
因此仅147Sm （t12=1.06×1011a）能用于年龄测定。
通常所指的Sm-Nd测年法实际上是147Sm-143Nd法，利用的是147Sm→143Nd+α的核衰变过程。
Sm-Nd年龄计算方程：（143Nd/144Nd）=（143Nd/144Nd）i+（147Sm/144Nd）（eλ-1）方程中t为样品形成时间或被彻底改造Nd同位素均一化时间，λ为147Sm衰变常数（6.54×10-12a-1）；（143Nd/144Nd）和（147Sm/144Nd）比值是样品现代值，由实验直接测定；（143Nd/144Nd）i是样品形成时或被彻底改造时值。
不同同位素年代学测试方法的技术要求
第三节不同同位素年代学测试方法的技术要求一、采样的要求样品选择的好坏，直接影响到年龄测定的准确性和可靠性。
因此，野外采样是获得可靠同位素地质年龄的基础，是关系到整个研究工作成败的首要环节。
如果选择的样品不当，不具清晰的地质目的或根本不符合年龄测定要求，虽然有先进的测试仪器设备和采用先进的测年技术，也不可能得到真正反映某一地质事件的信息。
为此，在采样之前，对研究区的地层、构造、岩浆活动、变质作用及伴随的成矿作用等方面应尽可能有个全面的了解，把矿床成矿时代研究与区域或成矿区的地质事件紧密联系起来，只有在仔细观察矿区内岩体、脉体和矿体之间的穿插、切割关系、围岩蚀变和构造特征之后，才能制定出正确的采样方案。
（一）、岩体或矿床定年样品采集的基本原则1、不同类型岩石和矿物是不同地质作用的产物，有着不同的地质历史，因而必须根据拟解决的地质问题，有目的性采样。
采样地段必须避开后期侵入体、混合岩化、断层或其他动力变质作用、热液蚀变以及近代风化、淋湿等作用干扰；2、具有多期次和多阶段的矿床或岩体，必须按不同期次和不同成矿阶段分别采样；3、同一成矿期或同一成矿阶段的测年样品，最好采自不同中段的空间部位；4、样品必须新鲜，风化或受后期地质事件影响强烈的样品，不宜采用；5、研究一个复杂地质体的同位素年龄时，应注意使用多种不同测年方法，要采集适合多种测年方法的岩石或矿物样品。
（二）、不同类型矿床等时线定年的具体要求1、金矿床年龄测定的样品采集不同成因类型金矿的测年对象是不同的，当用Rb-Sr、Sm-Nd、40Ar/39Ar和普通铅法（主要指金属硫化物）测年时，可采集不同成矿阶段或同一成矿阶段不同空间分布的脉石矿物（如石英、方解石、绢云母等）或矿石矿物（如金属硫化物、钨酸盐矿物等）样品。
一般来说，石英脉型金矿，采集含金石英脉；蚀变岩型（韧性剪切带型）金矿及卡林型金矿可采集与成矿作用密切相关的富含绢云母的蚀变岩石（如黄铁绢云岩、千糜岩等）和富含毒砂、黄铁矿及绢云母的矿石；块状硫化物型金矿（伴生金矿），采集含金的硫化物矿石及与金矿化同时形成的脉石矿物；绿岩型金矿，可采集含金石英脉及伴生的白钨矿和与石英脉同时形成的低温锆石(水锆石)等，但要特别注意区分石英脉形成时有可能捕获围岩老锆石的影响。
第五讲 同位素地球化学Sm-Nd法
Sm和Nd同属稀土元素，具相似的地球化学性质，在矿物 晶格中由 147Sm 经 α 衰变形成的 143Nd ，仍可维持其稳定性， 而与40K衰变成40Ar和87Rb衰变成87Sr而导致矿物稳定性下 降明显不同。因此，Sm-Nd同位素体系与REE的元素地球 化学性质相似，具有较高的化学稳定性。 研究表明，即使在角闪岩相-麻粒岩相高级变质条件，若没 有流体作用明显参与，岩石仍能保持Sm-Nd同位素系统封 闭，即获得变质岩原岩的形成年龄。
Sm-Nd等时线方程
147Sm
143Nd + + Q
147Sm = 6.54 10-12 yr-1
147Sm
T1/2=1.11011yr
143Nd
现 在组 成
147Sm衰变新形
初 始组 成
4.56 Ga
成的143Nd
143 14 4 Nd Nd Nd Nd 普通样品 143Nd/144Nd变化范围约为：0.1%， 约10个单位 143 14 4
Sm-Nd等时线样品、分析精度与误差
岩浆岩造岩矿物中，辉石和长石分别具有相对较高和 较低的 147Sm/144Nd 比值。其它高 147Sm/144Nd 比值的 矿物有石榴石、榍石、锆石和角闪石。低147Sm/144Nd 比值的矿物有磷灰石和独居石； 基性岩中常含有大量的长石和辉石(角闪石 )，因此适 用于Sm-Nd法同位素体系定年。
研究意义： 1)获得陨石(地 球)的形成年龄； 2)检验Sm-Nd 同位素体系的 封闭性； 3)验证147Sm or whole-rocks and minerals from the basaltic achondrite Juvinas. Nd isotope ratios are affected by the choice of normalising factor for mass fractionation. Data from Lugmair et al.(1975)
Sm-Nd同位素测年
CHUR
（Wasserburg et al., 1981）
• 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: 亏损上地幔 (143Nd／144Nd)DM = 0.513151
• 硅酸盐造岩矿物中，铀和钍的浓度很低， 一般为几个ppm或更少。但这两种元素在 某些副矿物中呈主要组分或者替代别的元 素。这些副矿物包括沥青铀矿、方钍石 (氧化物)；锆石、钍石、褐帘石(硅酸盐)； 独居石、磷灰石、磷钇石(磷酸盐)和榍石 (钛硅酸盐)。
铀主要有235U和238U两种同位素，其丰度比为: 238U/235U=137.88。 钍有一种同位素232Th。这三种同位素通过放射性衰 变都形成稳定的铅同位素: 238U 206Pb十8α十6β 235U 207Pb十7α十4β 232Th 208Pb十6α十4β 衰变常数为：238λ=1.55125×10-10a-1, 235 λ=9.8485×10-10a-1, 232λ=4.975×10-11a-1
•
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.
147Sm的半衰期很长，最适用于对前寒武
Sm-Nd同位素测年
三、锶、钕同位素示踪原理 • 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(143Nd/144Nd)i和 (87Sr/86Sr)i联合示踪岩浆作用过程。其基 本原理：
几种年代学方法介绍——同位素地球化学课件PPT
Lu-Hf同位素测年
测试仪器
• 在Re－Os 年代学研究的早期，二次离子质谱、共 振离子质谱、加速器质谱、电感耦合等离子体质谱 （ICP－MS）都曾用于Re－Os 同位素的测定研究
• 近些年来，随着质谱技术及分析方法的发展，负离 子热表面电离质谱（NTIMS）已逐渐成为Re－Os年 代学研究尤其是Os 同位素比值测定的主要工具
几种年代学方法介绍
Re－Os法，Sm－Nd法， Lu － Hf法
Re－Os法
铼与锇
• Re，分散元素，不形成独立矿物，与Mo地 球化学相似性
• 地幔部分熔融时,中等不相容元素Re趋于进 入岩浆,而相容元素Os则趋于保留在地幔中。 因此,富集不相容元素的流体对地幔岩石的 交代作用通常难以对地幔岩石中Os的同位 素组成造成明显的影响。居于此原因,该体 系已被广泛地用于研究大陆岩石圈地幔的形 成和演化
天然同位素
• Re有两种天然同位素
– 185 -37.398%， – 187 -62.602%
• Os有七种天然同位素
– 184-0.02%, – 186-1.6%, – 187-1.6%, – 188-13.3%, – 189-16.1%, – 190-26.4%, – 192-41%
年龄公式
Re－Os法定年问题讨论
• 有些金属矿床辉钼矿的Re－Os 年龄高于其赋矿围 岩，原因不清；
• 黄铁矿等多数硫化物含Re－Os 量明显偏低，并含 有普通Os ，对样品化学制备过程中低本底的要求 很高，一般实验室难以达到，普通Os 也难以准确 扣除；
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Sm
143 60
Nd+ He+E
4 2
143 147 Nd Nd Sm t 144 (e 1) 144 144 Nd Nd 0 Nd
Sm (Z=62) Nd ogo及名称
Sm-Nd化学性质
REE为不相容元素，按照D分
Sample DM 147 143 143 Nd Sample Sm Nd t (0.12 )(e 1) 144 Nd 144 Nd 144 Nd 1 0 0 0 ln 1 DM 147 λ Sm 0.12 144 Nd 0
T2DM
上式中t为岩石的形成（变质、结晶或沉积）年龄。
公司logo及名称
两阶段模式年龄
那么，亏损地幔147Sm/144Nd的现今值为何是0.2137？
公司logo及名称
亏损地幔性质
公司logo及名称
亏损地幔性质
公司logo及名称
两阶段模式年龄
对于CHUR， 143Nd/144Nd和 147Sm/144Nd可测
公司logo及名称
T2DM
公司logo及名称
两阶段模式年龄
模式年龄的计算只适合于样品的147Sm/144Nd=0.09~0.13，如果样品 的147Sm/144Nd<0.09或>0.13，一些学者提出是岩石形成时Sm/Nd分 馏造成的，而地壳的平均147Sm/144Nd=0.12，此时可采用二阶段模 式年龄：
DNd<DSm
在一次岩浆作用过程中，
(Sm/Nd)l
的关系是？
(Sm/Nd)0
(Sm/Nd)R
公司logo及名称
如何用于研究大陆地壳的增长方式？
公司logo及名称
研究大陆地壳增长过程
假设某陆壳从亏损地幔储库抽离出来， 计算该陆壳从亏损地幔抽离的时间。
那么，啥是亏损地幔？
公司 logo及名称 Oceanic basalts are produced at ocean ridges and ocean island
在低温及高温条件下，由于重核同位素质量差极小（~1%），因此，重 核同位素在各种地质作用过程中可视作不分馏（离），即，某元素的同 位素在各自然体系中保持一定的比例。例如：
公司logo及名称
复习及引申
某元素的同位素在各自然体系中保持一定的比例。例如：
公司logo及名称
Sm-Nd化学性质
147 62
如果储库瑞利抽离，Sm/Nd比值改变，那么，放射性累积概率会随时改变。
Workman， 2005，EPSL
困难：脉动式， 阶段性，抽离体 积是否有变化
公司logo 那么， 700 及名称 Ma， 1500 Ma之前， DM, EM1，HIMU情况如何？
储库子体是测出来的，母体是算出来的。计算过程中假 定抽离不改变成分，仅放射性累积改变同位素组分。 根据衰变方程计算，可做宽松估算校正。中新生代，由 于放射性累积较少，可以直接应用现今值。
Tengchong Cenozoic volcanic rocks
公司logo及名称
总结
模式年龄代表从亏损地幔抽离的一种模型 TDM， T2DM 亏损地幔： 母子体比值算得，子体比值测得 CHUR：母子体比值测得，子体比值测得 万分偏差 储库的问题
CHUR≈BSE
公司 logo及名称 Oceanic basalts are produced at ocean ridges and ocean island
Materials: unaffected by old continents, but derived from the mantle 岩浆作用过程中Sr-Hf-Nd-Pb子体同位素不变 大洋岩石圈源自地幔，经过了较短的演化时间和演化寿命经历了较少的混染
0.51315 0.2137
(147Sm/144Nd)DM=0.2137
什么是储库？
（Cawood et al., 2013, GSA Bulletin,125(1/2): 14–32） 公司 logo及名称
储库子体是测出来的，母体是算出来的。计算过程中假定抽离不改变成分，仅放射性累 积改变同位素组分。
Sm-Nd体系
李大鹏
dpli@
公司logo及名称
Rb-Sr等时线 样品要求 同源、同时、体系封闭
复习及引申
原理 示踪初步： 一次岩浆作用过程中，重核子体同位素比值保持不变 比如：87Sr/86Sr在一次岩浆作用过程中保持不变 比如：147Sm， 148Sm， 149Sm等比例进入一次岩浆作用过程 也就是说，会存在以下的说法：
Materials: unaffected by old continents, but derived from the mantle 岩浆作用过程中Sr-Hf-Nd-Pb子体同位素不变 大洋岩石圈源自地幔，经过了较短的演化时间和演化寿命经历了较少的混染
T1/ 2 1.06 10 y
11
Ln2 12 1 6.54 10 y 11 1.06 10
John William Strutt Third Baron Rayleigh 瑞利男爵三世 1895 年瑞利 成功地分离 出惰性气体 氩 而 荣 获 1904 年诺贝 尔物理奖。 他还发现， 现 称 为 瑞 利 已知：BSE母、子体 散 射 ； 解 析 已知：DM子体 天空为何是 蓝 色 的 。 已知：DM从BSE中抽离时间
什么是储库？
在自然界存在一种特殊的体系，在一定物理化学条件下发生物相分离。 公司logo及名称 分离前不同物相之间保持着热力学平衡并处于封闭体系状态，但分离之 后一相物质不断离开体系，不再与另一相保持平衡。这种在开放体系中 进行的过程称之为瑞利过程，在瑞利过程中发生的同位素分馏称之为瑞 利分馏。
有限（体积）瑞利过程久 期演化，化学组分发生改 变。