钐-钕模式年龄测定简介

Sm和Nd均属稀土元素,放射性同位素~(147)Sm经α衰变的产物是稳定同位素~(143)Nd,其半衰期为1.06×10~(11)年。由于岩石中的稀土元素丰度一般都非常低,而~(147)Sm的半衰期又特别长,对稀土同位素的分离和超微量测定难度就相当大。因此,Sm-Nd法在地质年代学中长期得不到实际应用。直至近十年来,随着Sm-Nd同位素分离测试技术的迅速发展,并对它们的地球化学演化规律取得了新的认识之后,Sm-Nd法的应用才日趋广泛。它也同Rb-Sr法一样不仅可进行等时线年龄测定,而且还可以进行模式年龄测定。     

激光原位LA-MC-ICP-MS测定地质样品Sm-Nd同位素方法新进展

本文综述了近10年来激光原位LA-MC-ICP-MS测定地质样品Sm-Nd同位素测试技术的最新进展,着重介绍了同质异位素干扰校正的关键技术难点及校正方案。LA-MC-ICP-MS技术对轻稀土富集矿物可以获得可靠的~(147)Sm /~(144)Nd and~(143)Nd /~(144)Nd值,是当前进行地质样品激光原位Sm-Nd同位素测定的主要技术,配合矿物微区U-Th-Pb年龄测定和微量元素分析,可以对矿物的成因演化提供重要的制约参数。多元同位素体系(Sr-Nd-Hf同位素、U-Th-Pb年龄和微量元素)的原位微区联合测定,低含量地质样品(小于500μg/g)和高Sm/Nd值矿物(如磷钇矿Sm/Nd远远大于1,有时甚至达到10)的Sm-Nd同位素组成的准确测定是未来LA-MC-ICP-MS激光原位Sm-Nd同位素测定的主要发展方向之一,具有广阔的应用前景。     

离子交换树脂在地质样品Sr-Nd同位素测定中的应用

Rb-Sr和Sm-Nd同位素测年及同位素示踪方法在同位素地质年代学和同位素地球化学中有非常广泛的应用。目前,Rb-Sr和Sm-Nd同位素质谱测试方法通常需要对Rb、Sr和Sm、Nd进行分离纯化,因此,如何对地质样品中的Rb、Sr、Sm和Nd进行分离富集对测试结果准确与否起到至关重要的作用。离子交换分离法是SrNd同位素化学前处理阶段应用最广泛的分离方法,本文结合笔者近几年的研究工作,系统介绍离子交换树脂在Sr-Nd同位素测试中应用的发展过程和现状,重点介绍几类使用率较高的离子交换树脂(Dowex50W树脂、AG50W树脂、锶特效树脂、LN树脂、P507树脂等)的优缺点,以及各自的萃取反应机理,探索和讨论未来离子交换树脂在Sr-Nd同位素测试中应用的发展趋势。     

萤石矿化的Sm—Nd直接测年法

业已证明，直接测定许多热液矿化类型的年龄是困难的，因而限制了人们对促使地壳流体流动和主要矿床形成的地质作用的了解。同一条脉体中热液矿物萤石在稀土元素丰度和Sm/Nd比值方面表现出了相当大的变化。我们对英格兰西南部以花岗岩为主岩的典型锡矿床中的萤石进行了Sm-Nd年龄测定，证明了Sm-Nd测年法是精确的矿化计时计。萤石中轻稀土元素含量有着相当大的变化，而且认为富轻稀土元素矿物相的同时沉淀可能是引起Sm/Nd比值变化的原因。     

玄武岩分相Sm-Nd内部等时线定年方法流程

长期以来,对玄武岩精确测年一直是困扰地质学家的重大科学问题。玄武岩结构和组成特殊,岩石中矿物组成单一、锆石十分稀少,颗粒很细,采用物理方法挑选单矿物和锆石十分困难,很难应用内部等时线法和锆石U-Pb法研究其成岩时代。而全岩样品间因岩浆分异产生的147Sm/144Nd比值差别很小,等时线年龄相对误差较大;Rb含量很低,Rb/Sr比值很小,全岩Sm-Nd法、Rb-Sr法常常不能给出正确可信的年龄。根据内部等时线法原理,本文通过化学方法,采用王水和氢氟酸-硝酸对玄武岩样品进行分步溶解,分别对同一件样品的王水溶解相、王水不溶相和全岩开展Sm-Nd同位素组成分析。结果表明:通过不同酸介质分步溶解,可提取玄武岩中石英、透辉石、长石等矿物组合,该组合与其全岩具有相同的εNd(t)和一致的Nd同位素模式年龄;矿物与全岩构筑的内部等时线中,147Sm/144Nd比值的变化由全岩之间的0.005扩大到0.11,143Nd/144Nd值的变化由全岩的0.512500~0.512547扩大到0.512500~0.513145。通过该方法获得了与已有锆石U-Pb年龄在误差范围内一致的Sm-Nd等时线年龄:t=(991±21)Ma(MSWD=2.1)。通过对比研究,本文认为:玄武岩分相Sm-Nd内部等时线定年方法,适用于前寒武纪及更古老的玄武岩样品的年龄测定。该方法的建立不仅有效提高玄武岩Sm-Nd等时线定年成功率,也为其他隐晶质且不易挑出单矿物样品的年龄测定提供了新的思路。     

白云鄂博矿床白云石型矿石中独居石单颗粒U-Th-Pb-Sm-Nd定年

使用交换树脂TRU Spec同时分离REE、U、Th、Pb及其他的元素,然后用阴离子交换树脂纯化Pb并用萃淋树脂分离纯化Sm和Nd,Sm、Nd、U和Pb的定量测定借助同位素稀释法,Th的定量测定则用ICP-MS分析,Nd和Pb同位素组成分析用质谱法(TIMS),从而实现独居石U-Th-Pb-Sm-Nd联合定年。用这种方法可以在同一样品上,同时得到U-Th-Pb和Sm-Nd同位素年龄记录。白云鄂博矿床白云石型稀土矿石中12个单颗粒独居石的U-Th-Pb-Sm-Nd同位素联合定年给出Sm-Nd等时线年龄为1008±320 Ma,其中8个独居石的Th-Pb等时线年龄为1231±200 Ma,此二年龄在误差范围内相似。在同一组独居石样品上得到一致的Th-Pb与Sm-Nd的中元古年龄,表明白云鄂博在中元古代的稀土成矿作用是可能的。本文独居石的Th-Pb 和Sm-Nd年龄与以前报道的独居石加里东期Th-Pb年龄差别很大,此问题尚需进一步研究。     

华南基底变质岩的Sm-Nd同位素及其对花岗岩类物质来源的制约

华南地区存在两种类型变质基底。Sm-Nd同位素数据的研究结果表明,它们可分别代表华南两种类型元古代地壳端员。华夏地块区副变质岩代表成熟度较高的(早)元古代地壳端员,~(147)Sm/~(144)Nd=0.1198,~(143)Nd/~(144)Nd=0.511822;江南古岛弧区副变质岩代表成熟度较低的(中—晚)元古代地壳端员,~(147)Sm/~(144)Nd=0.1246,~(143)Nd/~(144)Nd=0.512170。根据上述数据得出了华南元古代地壳Sm-Nd同位素演化域,进而对华南不同时代花岗岩类的物质来源作了进一步的讨论。     

Sm-Nd同位素准确测定的影响因素分析

通过对Sm-Nd同位素测定的流程分析,探讨了对Sm-Nd同位素分析的影响因素。采用HF+HNO3+H3BO3溶解样品,可有效地消除氟化物对REE回收率的影响;样品容器和分离柱的本底是全流程本底的主要来源;根据同位素稀释法误差倍增曲线,合理加入稀释剂的量可有效提高147Sm/144 Nd测定的准确度;稀释剂加入量对稀释法同位素比值测定的影响主要来源于稀释剂同位素组成测定的不确定度,通过数学迭代法,可对稀释剂同位素组成测定的质量分馏效应进行有效校正,提高稀释剂同位素组成的准确性。     

利用DCTA和HIBA快速有效分离Rb-Sr, Sm-Nd

Rb-Sr和Sm-Nd的有效分离是精确测定这些同位素的关键。传统的分离方法以盐酸为介质，虽然能够有效地分离这些元素，但是需要耗用大量的酸，并且无法将Sr和Ca、Mg等元素分离，对于Sm、Nd含量低的样品，回收率较低。后来有一些实验室建立了用混合的有机酸（如甲酸、乙酸、DCTA、EDTA等）来分离Sr的方法，大大减少了分离时间，减少了试剂用量，从而降低了过程空白并能够将Ca和Mg与Sr分离。本实验室在此基础上建立了一种新的Rb-Sr,Sm-Nd化学分离方法，以用于地质样品的同位素测试。该方法选用AG50W×8阳离子交换树脂，并先后采用不同的淋洗剂进行分离提纯。首先用常规方法使用盐酸作为淋洗剂将Rb-Sr和REE分开并与其他大部分元素分离，然后使用DCTA和嗜咙的混合溶液(D. P. E.）作为淋洗剂分离Rb和Sr，使用HIBA作为淋洗剂在很小体积(0.6 mI.）的阳离子交换树脂中分离Sm和Nd。使用这样的分离方法可以有效地将一些干扰离子（如Mg、Ca、Ba）和Sr分离，同时使用该分离方法可以提高分离效率，缩短分离时间，减少试剂用量，降低实验过程空白。用该方法分离国际玄武岩标样BCR-2后的Sr同位素测试结果（87Sr/86Sr= 0.705018±3)与Brian等测定的0.705024±5基本一致，Nd同位素测试结果（143 Nd/144Nd = 0.512616±9 )与本实验室以前使用HCI介质分离测定的0.512624±3基本一致，与其他研究者最近报道的BCR-1的0.512644±11和0.512650也基本一致。说明本次研究采用的新分离方法效果良好。     

微量萤石样品消解技术及其Sm-Nd同位素高精度热离子质谱法测试

Sm-Nd同位素被广泛地应用于萤石样品的定年和示踪。萤石样品Sm-Nd同位素测试的化学分离中,一般采用酸溶解样品,但氢氟酸和硝酸与萤石反应不完全,由于萤石(CaF_2)特殊化学结构导致氟离子会和稀土元素离子形成难溶稀土氟化物,易导致Sm-Nd亏损,因而对于Sm、Nd含量较低的萤石样品,Sm-Nd同位素测试需要较大样品用量(100~200 mg)。本研究建立了一种利用HNO_3+HClO_4+H_3BO_3溶解萤石样品的消解方法,在萤石溶解过程中加入H_3BO_3可有效提高Sm-Nd回收率。实验表明,利用5 mL浓硝酸和0.015 mL高氯酸溶解萤石样品过程中加入1 mL 0.49 mol/L H3BO3效果最佳,结合高灵敏度热电离质谱仪(Triton)可实现微量萤石样品高精度Sm-Nd同位素测试。较先前已有的溶解方法,本方法大大降低萤石样品用量。     

Significance of Sm-Nd isotope systematics in crustal genesis: A case study of Archaean metabasalts of the eastern Dharwar Craton

Determination of the age of rocks by whole rock Sm-Nd isochron method has several limitations imposed by petrogenetic processes. If the age of the rocks can be determined by other independent methods, the Sm-Nd system provides a wealth of information to understand crustal genesis. Sm-Nd isotopic studies of metabasaltic rocks of the Archaean Kolar and Ramagiri Schist belts in the eastern Dharwar Craton indicate that the system was disturbed by postmagmatic fluid alteration processes associated with terrane accretion.     

火成碳酸岩Sm-Nd等时线定年技术

选取庙垭铌-稀土矿床中5件新鲜的碳酸岩样品,依据内部等时线法原理,依次采用醋酸、王水、氢氟酸对其进行分步溶解,并分别对其醋酸溶解相、王水溶解相、氢氟酸溶解相和全岩进行了Sm-Nd 同位素组成分析。结果显示不同溶解相之间147Sm/144Nd同位素比值变化全岩之间由0.02 扩大为0.09,5件样品共计17个点拟合获得的等时线年龄为233±12 Ma (MSWD=2.7),其中单件样品的分相Sm-Nd等时线定年结果为235±17 Ma (MSWD=1.4)。这些结果与在该套碳酸岩中的独居石SHRIMP U-Th-Pb 年龄(233.6±1.7 Ma)(Geochimica et Cosmochimica Acta, 2014,143: 189 - 206.)、独居石LA-ICP-MS Th-Pb年龄(~240 Ma)以及铌铁矿LA-ICP-MS U-Pb年龄(232.8±4.5 Ma)(Lithos, 2017, 290 - 291:159 - 171.)在误差范围内基本一致,表明火成碳酸岩分相Sm-Nd定年结果可靠。     

岩石铷-锶和钐-钕同位素标准物质的研制

通常样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd同位素比值分析采用SRM9⁸⁷、JNdi-1作为标准物质,它们分别是纯的碳酸盐和氧化物,适用于监控质谱测试过程。中国现有的钐-钕地质和铷-锶年龄标准物质,分别为玄武岩和钾长石,它们与很多地质样品的基质存在差别。仅有这两种基质的标准物质不能有效地监控不同地质样品Rb-Sr、Sm-Nd同位素分析过程,因此研制不同岩性的Rb-Sr、Sm-Nd同位素标准物质具有重要现实意义。本文采集中国典型地区的橄榄岩、榴辉岩和花岗岩作为候选物,严格按照《一级标准物质技术规范》(JJF 1006-1994)和《标准物质定值的通用原则及统计学原理》(JJF 1343-2012)等相关标准物质国家计量技术规范和国家标准,研制了橄榄岩、榴辉岩和花岗岩铷-锶、钐-钕同位素标准物质(编号为GBW04139、GBW04140、GBW04141),其中橄榄岩标准物质适用于高Mg、Fe,低Rb、Nd含量样品的分析,榴辉岩和花岗岩标准物质适用于含有难溶副矿物的岩石样品的分析。每个标准物质具有6个特性量值,Rb、Sr、Sm和Nd含量分布分别为0.16~64μg/g、12~560μg/g、0.1~3.2μg/g和0.3~15.3μg/g,⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值分布为0.70446~0.71309,¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值分布为0.51115~0.51267,同位素比值精度达到或优于同类标准物质。这些特性量值更接近实际样品,使用时将更加有效和方便。该系列标准物质可用于校准仪器和评价方法,并能有效监控实验室此类样品的铷-锶、钐-钕同位素分析过程。     

对“鄂尔多斯盆地能源矿产氯仿沥青Sm-Nd同位素研究”的新认识——与潘爱芳等商榷

《中国地质》2007年34卷3期发表关于鄂尔多斯盆地石油、煤、含铀砂岩及其围岩的氯仿沥青Sm-Nd同位素研究的文章。潘爱芳等人指出赋存于同一套地层中的含铀砂岩沥青、煤沥青及石油沥青均具有富集地幔特征。笔者通过对其同位素数据重新计算厘定, 得出其物质来源是盆地基底变质重熔与年轻物质混合的产物, 以壳源为主且与富集地幔无关的结论。     

中国大陆科学钻探主孔榴辉岩Sm-Nd年龄及其地质意义

南苏鲁中国大陆科学钻探主孔CCSD-MH及地表的榴辉岩Sm—Nd同位素年龄测试结果显示，每件样品中全岩（Wr)与石榴石(Grt)和绿辉石(Omp)点均在一条直线上。除样品B210R186以外，其余5件榴辉岩均给出十分相近的Sm—Nd等时线年龄，位于202．6-219Ma之间，这与榴辉岩围岩——片麻岩锆石边缘记录的近等温减压退变质年龄(200-220Ma)十分接近，表明测试的榴辉岩中石榴石的Sm—Nd同位素体系有可能在近等温减压退变质时重置，并在向角闪岩相退变质过渡时封闭。因此，笔者测定的202．6-219Ma的Sm-Nd全岩-矿物等时线年龄，应代表了南苏鲁榴辉岩在构造折返过程中近等温减压阶段的退变质年龄，而不能代表苏鲁地体的超高压变质年龄。     

Sm-Nd isotope systematics in garnet from different lithologies (Eastern Alps): age results, and an evaluation of potential problems for garnet Sm-Nd chronometry [Chem. Geol. 185 (2002) 255-281]

Interpretation of Sm-Nd garnet ages is frequently impaired by one of the following restrictions: (a) high-LREE inclusions, (b) isotopic disequilibrium, and (c) the uncertainty about the closure temperature. These issues are addressed by way of an evaluation of garnet Sm-Nd data from different rock types of the Austroalpine basement units, Eastern Alps, including metabasic eclogites, mica schist and paragneiss, metapegmatite and metagranite.Nd concentration in handpicked garnet varies between 0.021 and 23.1 ppm in metabasites, 0.49 and 17.4 ppm in metapelites and between 0.024 and 4.6 ppm in metapegmatites and metagranites. The overall range of ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd is 0.15-2.5 in garnet from metabasites, 0.12-3.03 in metapelite garnet and 0.66-7.21 in Mn-rich garnet from metapegmatites and metagranites. A clear negative correlation between Nd concentration and Sm/Nd is observed in garnets from all these lithologies. Therefrom, it is concluded that even optically “clean” garnet separates may contain high-LREE microinclusions, such as epidote-allanite, zoisite, apatite, sphene, monazite or zircon. However, very low Nd concentrations correlated with low Sm/Nd as well as high Nd concentrations (>5 ppm) correlated with fairly high Sm/Nd ratios (0.8) have also been observed. Apart from replicate analyses within as well as between samples with a common PT-history, leaching experiments are a useful technique to elucidate any distorting influence of unequilibrated inclusions on the garnet age, especially if the observed Sm/Nd ratio is low (<0.5). Leaching of garnet separates with HCl (2.5, 5.8 M) produces no obvious element fractionation, but may improve Sm/Nd, and hence age precision, considerably. Isotopic disequilibrium between garnet and other matrix minerals is observed preferentially in basic eclogites, derived from gabbroic precursors.Sm-Nd garnet analysis allows the recognition of several distinct garnet-forming events in the Eastern Alps.(a) A Variscan high-P event is documented in metabasites from the northern-central Ötztal basement around 360-350 Ma, whereas garnet from sillimanite-bearing gneisses dates the Variscan thermal peak in the western part of the same subunit around 345-330 Ma.(b) A long-lived, Permian to Triassic event (285-225 Ma), correlated with crustal extension and low-P metamorphism, is documented by spessartine-rich garnet from metapegmatites as well as almandine-rich garnet cores from mica schist.(c) Age data of garnet from eo-Alpine (Cretaceous) deeply subducted rocks of the southern/eastern Austroalpine units are related to near-peak PT, eclogite- to amphibolite-facies metamorphic conditions (peak: 2 GPa/685 °C), and/or incipient isothermal decompression, due to fast, tectonically driven exhumation (110/100-85 Ma). At cooling rates of 20-30 °C/Ma (exhumation rates: 3-5 km/Ma), the Sm-Nd closure temperature (T_c) for mm-sized garnet in these rocks is estimated at 650-680 °C.     

冀东早太古岩石Sm-Nd同位素年龄测定

曹庄表壳斜长角闪岩和变沉积物形成的片麻岩的Sm-Nd全岩等时线资料分别得到3495±19Ma和3561±15Ma的Sm-Nd等时线年龄。该年龄被解释为是曹庄表壳岩形成的年龄。     

康定杂岩Rb-Sr、Sm-Nd同位素系统及其意义

通过对康定—冕宁地区出露的英云闪长岩、黑云角闪斜长片麻岩、角闪变粒岩全岩及其中所分离出的角闪石、黑云母、斜长石、钾长石的Rb-Sr、Sm-Nd同位素的系统测定,结合岩石的锆石U-Pb年龄结果,确定这些变质杂岩由于经历了复杂的形成过程与变质历史,Rb-Sr、Sm-Nd同位素体系难以确定其结晶年龄。由单矿物与全岩Rb-Sr、Sm-Nd体系拟合的~700 M a的等时线年龄反映了角闪岩相-高角闪岩相的变质作用年龄。Sm-Nd同位素体系由于在变质作用过程中的部分开放性,很容易给出无意义的较老的混合年龄。康定杂岩结晶后并没有经历麻粒岩相变质作用,区域上所含的麻粒岩透镜体可能是新元古代(773~721 M a)期间由Rod in ia超大陆裂解产生的新生洋壳向扬子克拉通陆块俯冲消减过程的变质产物。俯冲到一定深度后,由于板片被拉断,软流圈上涌导致变质洋壳板片岩石、先前底侵变质的镁铁质岩石及扬子陆块长英质基底岩石发生部分熔融,以镁铁质岩石熔融产生的熔浆为主(>70%),与长英质基底岩石熔融产生的熔浆混合形成w(Na2O)/w(K2O)>1的TTG组合。     

苏鲁造山带东北端石榴辉石麻粒岩的Sm-Nd同位素年代学及其大地构造含义

 大量含石榴石的基性麻粒岩透镜体出露于苏鲁变质带的北部及邻近地区,它们可能是再变质的高压变质岩石。在详细的岩相学研究的基础上,确定采自莱西和文登的样品WD01、WD04、ML06 是由高压麻粒岩经中-高压麻粒岩相再变质形成的,而采自威海的样品WH1 是由柯石英榴辉岩经中-高压麻粒岩相再变质形成的。Sm-Nd 同位素年代学研究也证实了二者的重大差别。3 个高压麻粒岩样品的矿物-全岩内部等时线年龄分别是1 846+ /-76Ma,1 743+ /-79Ma 和1 752+ /-30Ma,TDM 模式年龄是3.3Ga,3.0Ga 和2.8Ga.上述数据说明原岩形成在太古宙,而1 800Ma 是麻粒岩相降压变质事件的记录,这与华北克拉通前寒武纪高压麻粒岩的年代学一致。威海样品的Sm-Nd 同位素特征则完全不同。矿物和全岩形不成等时线,表现出它们之间的同位素不平衡。ε_Nd(0)值高达+ 127,TDM 模式年龄是1.3Ga.这与Jahn(1994,1996)对威海同类样品的测定结果相同。可以推测威海样品的原岩是元古宙岩石,在后来复杂的变质过程中,在水岩相互作用和岩浆及重熔作用的影响下,同位素系统发生重大变化。同位素年代学为苏鲁变质带和华北克拉通的界限是昆嵛山岩浆-变质杂岩带提供了依据。