同位素地质年代学-Sm-Nd法

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。

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。

热电离质谱法地质样品中Rb-Sr、Sm-Nd同位素组成
Rb-Sr、Sm-Nd同位素体系是同位素地球化学研究的经典体系，被广泛应用于同位素地质年代学和同位素示踪研究，在壳幔演化、岩浆活动、全球演化研究等方面具有重要应用价值。

天津地质矿产研究所同位素地质实验测试室为许多高校和地质部门提供过大量高质量的Rb-Sr、Sm-Nd同位素测试数据。

天津地质矿产研究所同位素地质实验测试室对Rb-Sr、Sm-Nd同位素测定采用I.D.（Isotope Dilution）和I.C.（Isotope Concentration）分别测定的
双流程分析测试程序。

分析I.D组份时，将地质样品用混合酸(HF+HNO
3+HClO
4
)
溶解，溶解前加入适量稀释剂87Rb+84Sr和149Sm+146Nd，取上清液载入阳离子交换柱中，采用不同浓度的酸洗脱基体元素，收集Rb、Sr、LREE组份，收集的Sr 组份采用Sr-Spec树脂进行二次纯化。

分析I.C组份时，溶解后的样品直接进行离子交换柱化学分离， LREE组份采用Ln-Spec树脂进行Nd分离和富集。

收集目标元素，在TRITON热电离质谱上进行同位素测定。

本实验室用来校正TRITON热电离质谱的标样Sr、Nd同位素测定范围为：NBS987：87Sr／86Sr＝0.710245±35，BCR-2：87Sr／86Sr＝0.704958±30；LRIG：143Nd/144Nd＝0.512202±25，BCR-2：143Nd/144Nd＝0.512633±30。

简析同位素测年法作者：徐学员周富华易慧能来源：《西部资源》2016年第06期摘要：同位素年代学研究是现代矿床学研究的热点，本文仅简单地介绍了U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等几种同位素测年方法，并分析了其优缺点。

认为要尽可能地采取不同的测定方法，以地质为基础，才能获得有地质意义的年龄数据，做出有科学意义的地质解释。

关键词：同位素测年；U—Pb法；Rb—Sr法；Sm—Nd法；K—Ar法；Re—Os法1. 前言1896年，贝可勒尔（A.H.Becquerel）发现铀的盐类能使封闭的照相底片感光。

随后证明了铀可以粒子和电磁辐射的形式发出能量，即能自然衰变。

居里夫人把这种辐射现象称为放射性。

建立在放射性同位素衰变规律基础上的，用以测定不同地质体和地质事件年龄的计时方法即为同位素测年法。

目前主要应有的同位素测年方法有U—Pb法、Rb—Sr法、Sm—Nd法、K—Ar法、Re—Os法等几种方法（温春齐等，2009）。

2. 同位素测年法2.1 基本原理假设岩石或矿物形成时，含有少许的放射性母体同位素。

伴随时间流逝，该母体同位素自然衰变，含量逐渐减少，由此形成的子体同位素则逐渐增多。

通过测量仪器准确测定岩石或矿物中放射性母体以及衰变形成的稳定子体同位素的含量，通过公式（1）即可计算出所测岩石或矿物的同位素年龄。

它一般代表了经过某一地质作用形成的岩石或矿物中所测同位素保持封闭体系以来的时间。

t=1/λ×ln（1+D*/N）（1）其中D*=N0—N=N0（1—e—λt）=N（eλt—1）λ为衰变常数、N0为t=0时放射性母体原子数、N为t时放射性原子数2.2 基本条件应用同位素测年法需满足一定的条件，主要有：（1）岩石或矿物自形成后应保持封闭体系，无母、子体同位素的加入或丢失。

（2）选定用来测年的放射性母体同位素应有适宜的半衰期，其与所测地质体或地质事件的年龄差距不大，且半衰期和衰变常数目前已知或能精确测定。

地质年龄测定SMOW标准：标准平均海洋水(Standard Mean Ocean Water)标准。

PDB标准：PDB(Pee Dee Belemnite)是采自美国卡罗莱纳州白垩系皮狄组中美洲拟箭石化石，碳酸盐岩的碳氧同位素组成通常使用PDB标准。

PDB标准与SMOW标准之间的换算关系(Coplen et al., 1983)：δ18OSMOW = 1.03091 δ18OPDB + 30.91δ18OPDB = 0.97002 δ18OSMOW - 21.8Craig(1965)和Clarton et al.(1965)给出如下换算关系：δ18OSMOW = 1.03037 δ18OPDB + 30.37自然界存在很多放射性同位素，但是目前能用于地质年龄测定的仅有少数几种。

这是因为利用天然放射性同位素测定地质年龄，需要满足一系列前提条件。

1)用来测定地质年龄的放射性同位素有合适的半衰期T1/2，与测定对象相比不宜过大，也不宜过小。

一般与地球年龄相比，最好在地球年龄（45.6亿年）的1/10到10倍之间。

半衰期过大，自地球形成以来，放射成因子体增长不明显，目前的技术水平很难做出精确测定。

相反，半衰期过小，自地球形成以来母体衰减很快，至今几乎或已经完全衰减殆尽，这样，在被测样品中母体含量很少，同样不能被精确测定。

2）放射性同位素的半衰期能够被准确地测定。

这个条件十分重要，一旦半衰期得到精确测定并且获得公认，该方法就会快速发展。

这方面例子很多，早期Rb-Sr法是一例，近期Re-Os 法也是一例。

至今La-Ce法发展缓慢的原因之一，也是与138Laβ-衰变的半衰期过大（超过地球年龄60倍），至今没有准确地测定有关。

3）能够准确测定母体同位素组成和每个同位素的相对丰度。

无论是在自然界的矿物、岩石中，还是在人工合成物中，这个相对丰度应该固定不变，是一个常数。

4）母体同位素衰变的最终产物必须是稳定同位素，当前的技术水平能够准确而灵敏地对它们的含量与同位素组成进行测定。

同位素地质年代学的定年方法概述一些元素(K,Rb,Re,Sm,Lu,U和Th)的自然长寿命放射性同位素,衰变为另种元素稳定同位素的作用,广泛应用于岩石和矿物的年龄测定。

这种测年提供了关于地球地质历史的信息,并已用于标定地质年代表。

地质过程时间维的确定是一项重要而复杂的研究任务。

准确标定某一地质体的年代是区域地质学、地球化学、矿床学和大地构造学研究中不可缺少的内容,对于区域地史演化规律的研究和找矿方向的确定,都具有十分重要的理论和实际意义。

可以说，现代岩石学在很大程度上已经离不开同位素地质学的研究。

在上一世纪60-80年代Sr、Nd、Pb 等同位素地质理论蓬勃发展并逐渐成熟的形势下，Re-Os、Lu-Hf等新的同位素体系也在快速发展。

近年来,由于各种新型同位素分析仪器的开发利用和分析测试技术方法上的迅猛发展,例如新一代高精度、高灵敏度、多接收表面热电离质谱仪(TIMS TRITON)、多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)和高灵敏度高分辨率离子探针质谱（SHRIMP）技术的开发和利用,大大拓宽了各种同位素新技术方法在地球科学各个领域中的应用,并取得了一系列令人瞩目的新发现和新认识。

目前,地质体的定年主要采用的是K-Ar法、40Ar-39Ar法、U-Pb法、Pb-Pb法、Rb-Sr法、Sm-Nd法等,已经获得了非常丰富的资料。

然而,由于地质作用过程的复杂性、多期性和测年方法及测试对象的局限性,对已经获得的年龄数据,不同的学者往往有不同的地质解释。

因此,开展同位素定年方法学中的适用性和局限性有关问题的研究,不仅有助于重新认识、评价和应用已有的资料,而且有利于今后工作中同位素定年方法的改进。

一、K-Ar法和40Ar-39Ar法常规的K-Ar法定年主要建立在两个基本的假设条件之上。

①矿物或岩石形成以后,对钾和氩保持封闭体系,既没有钾和氩的加入,也没有钾和氩的逃逸。

②矿物或岩石中不含有大气氩;如果含有氩,则只能由大气混染造成,可以进行常规法定年的大气混染校正(穆治国,1990)。

Sm-Nd同位素测年Nd和Sm属于轻稀土元素，其中Nd的不相容性大于Sm. Nd3+离子半径为0.108nm，Sm3+为0.104nm。

由于Sm和Nd的化学性质很相似，因此在地质过程中Sm和Nd不会发生明显的分离。

地球上岩石和矿物的Sm/Nd比值仅变化于0.1到0.5之间。

由地幔或地壳岩石部分熔融形成的硅酸盐熔体中，Nd相对于Sm发生富集，地壳起源熔体的Sm/Nd比值一般低于上地幔起源熔体的Sm/Nd比值。

在岩浆分离结晶过程中，残余岩浆中Nd相对于Sm也发生富集, 随岩浆分异程度增大，残余熔体中Sm和Nd含量升高，Sm/Nd比值有所下降。

一、钐-钕地球化学Sm和Nd是稀土元素，存在于许多造岩矿物中，如硅酸盐、磷酸盐和碳酸盐矿物中。

钐有七种天然同位素，它们的质量数和同位素丰度分别为：143Sm 3.16％，147Sm 15.07％, 148Sm 11.27％，149Sm 13.84%，150Sm 74.7％，152Sm 26.63％, 154Sm22.53％。

钕也有七种天然同位来，其质量数和同位素丰度分别为:142Nd 27.13％, 143Nd2.20% , 143Nd 23.87%, 145Nd 8.30％, 146Nd 17.18％, 148Nd5.72％, 150Nd 5.6%。

147Sm 通过 a 放射，衰变为143Nd，衰变常数为：6.54×10-12a-1，半衰期为: 1.06×1011a。

Sm-Nd等时线测年的基本公式为:（143Nd/144Nd)样品=(143Nd/144Nd)i +(147Sm/144Nd)样品(eλt-1)。

其中(147Sm/144Nd)样品(eλt-1)为直线的bX项，斜率b=eλt-1 ，t=1/λ·ln(b+1)。

Sm－Nd法适合于基性、超基性火成岩的定年，而Rb－Sr法更适合于酸性、中酸性火成岩的定年。

更重要的是REE在变质作用、热液作用和化学风化作用中比Rb、Sr稳定的多。