放射成因同位素地球化学

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  放射成因同位素地球化学汉语拼音:Fangshechengyin Tongweisu Diqiuhuaxue;英语:Radiogenic Isotope Geochemistry),研究天然放射成因稳定子体同位素的组成、变化和演化历史,用以追踪岩石和金属矿床的形成过程、物质来源,以及地质储库如地幔地球化学演化的学科。又称重稳定同位素地球化学。主要包括锶(Sr)、铅(Pb)、铈(Ce)、钕(Nd)、铪(Hf)和锇(Os)同位素。

  同位素组成通常以放射成因子体同位素与非放射成因同位素的比值表示;或者相对于某一参照标准的相应同位素比值换算成ε值表示,如εSr、εCe、εNd等。这些同位素比值变化的原因,是与放射性母体衰变产生的稳定子体随时间的不断累积和增长有关。其观测值是所研究地质对象的年龄、初始值和地质体系中母体核素丰度(相应的元素比值如Rb/Sr、Sm/Nd、U/Pb和Th/Pb等)的函数。放射成因同位素是重要的地球化学示踪剂。

  锶同位素地球化学 锶有4个天然同位素:84Sr、86Sr、87Sr和88Sr,其中87Sr因87Rb的衰变而增长。地球不同储库中87Sr/86Sr比值的增长取决于其所处地球化学系统的Rb/Sr比值和时间。任一地质体的锶同位素地球化学的指纹参数87Sr/86Sr,由等时线方程的截距(87Sr/86Sr)0求得,该锶同位素初始值与其源区特征有关;对于新生代火成岩,直接用测定的87Sr/86Sr比值。87Sr/86Sr初始比值可以用来示踪岩石成因、成岩物质来源、源区特征和源区过程。

  铅同位素地球化学 铅有4个天然同位素:204Pb、206Pb、207Pb和208Pb,后三者因238U、235U和232Th的衰变而增长。地球形成时的原始铅:206Pb/204Pb=9.307、207Pb/204Pb=10.294、208Pb/204Pb=29.476;假定地球是一个铀、钍和铅均匀分布的系统,那么铅同位素比值随U/Pb、Th/Pb比值和时间而不断增大。铅同位素地球化学以普通铅的同位素比值作为指纹参数,示踪地质地球化学过程,也可应用普通铅法计算年龄。

  普通铅通常是指岩石或矿物形成时从周围介质中所捕获的铅,理论上不包含岩石或矿物形成后铀、钍衰变叠加的放射成因铅。实际工作中,将不含铀、钍的矿物或岩石中的铅看作普通铅,如方铅矿、钾长石和近代火山岩,这些矿物或岩石形成后铅同位素组成不再发生变化,保存着源区的信息。

  年轻火山岩或花岗岩中钾长石的铅同位素组成可以用来示踪岩浆来源,识别地幔或大陆壳的不同源区,确定源区的U/Pb和Th/U比值。方铅矿的铅同位素组成提供成矿金属物质来源、成矿年龄和矿床成因方面的信息。在考古学研究中,可以提供矿物、含铅金属、彩釉和含铅颜料等考古材料的产源方面的信息。

  钕同位素地球化学 钕有7个天然同位素:142Nd、143Nd、144Nd、145Nd、146Nd、148Nd、150Nd,其中143Nd因147Sm的衰变而随时间增长。地球整体成分相当于球粒陨石均一储库(CHUR),按照CHUR中钕同位素组成的演化方程,可以计算出地球143Nd/144Nd比值从46亿年前形成时的0.506,631增长到现今的0.512,638。在钕同位素示踪研究中,143Nd/144Nd比值采用更直观更方便的ε标记法。εNd值定义为样品形成时的143Nd/144Nd初始比值相对于CHUR源区中同一时间143Nd/144Nd比值的偏差(扩大1万倍)。εNd值是特征的指纹参数,可以提供成岩物质来源、源区识别等岩石成因方面的信息,示踪地幔演化和大陆壳形成历史。如εNd=0,岩石起源于类似于球粒陨石的原始地幔储库;εNd>0,反映亏损地幔源区;εNd<0,意味着富集地幔源区或大陆地壳源区。