Самариево-неодимовое датирование - это метод радиометрического датирования, используемый для определения возраста горных пород и метеоритов , основанный на радиоактивном распаде долгоживущего изотопа самария ( 147 Sm) на радиогенный изотоп неодима ( 143 Nd). Отношения изотопов неодима вместе с отношениями самария и неодима используются для получения информации о возрасте и источнике магматических расплавов. Иногда предполагают, что в момент формирования корового материала из мантии Соотношение изотопов неодима зависит только от времени, когда это событие произошло, но после этого оно развивается таким образом, что зависит от нового отношения самария к неодиму в материале земной коры, которое будет отличаться от этого отношения в материале мантии. Самариево-неодимовое датирование позволяет определить, когда формировался материал земной коры.
Полезность Sm-Nd датирования проистекает из того факта, что эти два элемента являются редкоземельными элементами и, таким образом, теоретически не особенно подвержены разделению во время седиментации и диагенеза . [1] фракционная кристаллизация из фельзитовых минералов изменяет отношение Sm / Nd результирующих материалов. Это, в свою очередь, влияет на скорость увеличения отношения 143 Nd / 144 Nd из-за образования радиогенного 143 Nd.
Во многих случаях изотопные данные Sm – Nd и Rb – Sr используются вместе.
Sm – Nd радиометрическое датирование
Самарий имеет пять изотопов природного происхождения, а неодим - семь. Эти два элемента связаны в родительско-дочерних отношениях за счет альфа-распада родительского 147 Sm до радиогенного дочернего 143 Nd с периодом полураспада 1,06 × 10 11 лет и за счет альфа-распада 146 Sm (почти потухший нуклид с период полураспада 6,87 × 10 7 лет) с получением 142 Nd.
Чтобы определить дату образования горной породы (или группы горных пород), можно использовать метод изохронного датирования . [2] Изохрона Sm-Nd отображает отношение радиогенного 143 Nd к нерадиогенному 144 Nd в зависимости от отношения родительского изотопа 147 Sm к нерадиогенному изотопу 144 Nd. 144 Nd используется для нормализации радиогенного изотопа в изохроне, потому что это стабильный и относительно распространенный изотоп неодима.
Изохрона Sm-Nd определяется следующим уравнением:
где:
- t - возраст образца,
- λ - постоянная распада 147 Sm,
- ( e λ t -1) - наклон изохроны, определяющий возраст системы.
В качестве альтернативы можно предположить, что материал образовался из мантийного материала, который следовал тем же путем эволюции этих соотношений, что и хондриты , и затем снова можно рассчитать время образования (см. # Модель CHUR ). [2] [1]
Sm и Nd геохимия
Концентрация Sm и Nd в силикатных минералах увеличивается с порядком их кристаллизации из магмы в соответствии с серией реакций Боуэна . Самарий легче встраивается в основные минералы, поэтому основная порода, кристаллизующая основные минералы, будет концентрировать неодим в фазе расплава по сравнению с самарием. Таким образом, когда расплав подвергается фракционной кристаллизации от основного до более кислого состава, содержание Sm и Nd изменяется, как и соотношение между Sm и Nd.
Таким образом, ультраосновные породы имеют высокое Sm и низкое Nd и, следовательно, высокое отношение Sm / Nd. Фельзитовые породы имеют низкие концентрации Sm и высокие Nd и, следовательно, низкие отношения Sm / Nd (например, коматиит содержит 1,14 частей на миллион (ppm) Sm и 3,59 частей на миллион Nd против 4,65 частей на миллион Sm и 21,6 частей на миллион Nd в риолите ).
Важность этого процесса очевидна при моделировании возраста образования континентальной коры .
Модель ЧУР
Путем анализа изотопного состава неодима ДеПаоло и Вассербург (1976 [2] ) обнаружили, что земные магматические породы во время их образования из расплавов близко следовали линии « хондритовый однородный резервуар » или «хондритовый унифракционированный резервуар» (CHUR) - как отношение 143 Nd: 144 Nd увеличивалось со временем в хондритах . Считается, что хондритовые метеориты представляют собой самый ранний (несортированный) материал, который образовался в Солнечной системе до образования планет. Они имеют относительно однородные сигнатуры микроэлементов, и поэтому их изотопная эволюция может моделировать эволюцию всей Солнечной системы и «массивной Земли». Построив возраст и начальные отношения 143 Nd / 144 Nd земных магматических пород на диаграмме эволюции неодима в зависимости от времени, ДеПаоло и Вассербург определили, что архейские породы имеют начальные отношения изотопов неодима, очень похожие на те, которые определены линией эволюции CHUR.
Обозначение Эпсилон
Поскольку отклонения 143 Nd / 144 Nd от линии эволюции CHUR очень малы, ДеПаоло и Вассербург утверждали, что было бы полезно создать форму записи, которая описывала бы 143 Nd / 144 Nd с точки зрения их отклонений от линии эволюции CHUR. Это называется эпсилон-нотацией, при которой одна эпсилон-единица представляет собой одну часть на 10 000 отклонений от композиции CHUR. [3] Алгебраически единицы эпсилон могут быть определены уравнением
Поскольку единицы эпсилон более мелкие и, следовательно, более ощутимое представление начального отношения изотопов Nd, используя их вместо начальных соотношений изотопов, легче понять и, следовательно, сравнить начальные отношения коры с разным возрастом. Кроме того, единицы эпсилон нормализуют исходные отношения к CHUR, тем самым устраняя любые эффекты, вызванные различными применяемыми методами аналитической коррекции массового фракционирования. [3]
Возраст модели Nd
Поскольку CHUR определяет начальные соотношения континентальных пород во времени, был сделан вывод, что измерения 143 Nd / 144 Nd и 147 Sm / 144 Nd с использованием CHUR могут дать модельный возраст для сегрегации от мантии расплава, который сформировал любая коровая порода. Это было названо Т ЧУР . [1] Чтобы рассчитать возраст T CHUR , фракционирование между Nd / Sm должно было произойти во время извлечения магмы из мантии с образованием континентальной породы. Это фракционирование могло бы затем вызвать отклонение между линиями изотопной эволюции коры и мантии. Пересечение этих двух линий эволюции указывает на возраст образования земной коры. Т ЧУР возраст определяется следующим уравнением:
Т ЧУР возраст породы может дать образование возраст коры в целом , если образец не пострадал нарушения после ее образования. Поскольку Sm / Nd являются редкоземельными элементами (РЗЭ), их характеристики позволяют иммобильным отношениям противостоять разделению во время метаморфизма и плавления силикатных пород. Таким образом, это позволяет рассчитать возраст образования коры, несмотря на любой метаморфизм, которому подвергся образец.
Модель обедненной мантии
Несмотря на хорошее соответствие архейских плутонов линии эволюции изотопа Nd CHUR, ДеПаоло и Вассербург (1976) отметили, что большинство молодых океанических вулканитов (базальты Срединно-океанического хребта и базальты островной дуги) лежат на +7 - +12 ɛ единиц выше CHUR. линия (см. рисунок). Это привело к осознанию того, что архейские континентальные магматические породы, построенные в пределах ошибки линии CHUR, могут вместо этого лежать на линии эволюции обедненной мантии, характеризующейся увеличением отношений Sm / Nd и 143 Nd / 144 Nd со временем. Для дальнейшего анализа этого разрыва между архейскими данными CHUR и молодыми вулканическими образцами было проведено исследование протерозойского метаморфического фундамента Колорадского переднего хребта (формация Айдахо-Спрингс). [4] Начальные отношения 143 Nd / 144 Nd в проанализированных образцах нанесены на график зависимости ɛNd от времени, показанный на рисунке. ДеПаоло (1981) построил квадратичную кривую для Айдахо-Спрингс и усреднил Nd для современных данных океанической островной дуги, таким образом представляя эволюцию изотопа неодима в истощенном резервуаре. Состав истощенного коллектора относительно линии эволюции CHUR в момент времени T определяется уравнением
- ɛNd ( T ) = 0,25 Тл 2 - 3 Тл + 8,5.
Sm-Nd модельные возрасты, рассчитанные с использованием этой кривой, обозначены как возрасты TDM. ДеПаоло (1981) утверждал, что эти модельные возрасты TDM дадут более точный возраст для возрастов образования земной коры, чем модельные возрасты TCHUR - например, аномально низкий модельный возраст TCHUR 0,8 Гр из композита Гренвилля Маккаллоха и Вассербурга был пересмотрен на возраст TDM в 1,3 Гр, что характерно для образования ювенильной корки во время гренвильского горообразования.
Рекомендации
- ^ а б в Маккаллох, MT; Вассербург, GJ (1978). "Sm-Nd и Rb-Sr хронология образования континентальной коры". Наука . 200 (4345): 1003–11. Bibcode : 1978Sci ... 200.1003M . DOI : 10.1126 / science.200.4345.1003 . PMID 17740673 .
- ^ а б в Депаоло, диджей; Вассербург, GJ (1976). «Изотопные вариации неодима и петрогенетические модели» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 3 (5): 249. Bibcode : 1976GeoRL ... 3..249D . DOI : 10.1029 / GL003i005p00249 .
- ^ a b Дикин А.П., 2005. Геология радиогенных изотопов , 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-82316-1 стр. 76–77.
- ^ DePaolo, DJ (1981). Изотопы неодима в Колорадском переднем хребте и корово-мантийная эволюция в протерозое. Nature 291, 193–197.