Войти
Циркон - обычная мишень для анализа Lu – Hf. Lutetium-гафний знакомство является геохронологическим методом датирования использования радиоактивного распада системы лютеция -176 до гафния -176. Обладая общепринятым периодом полураспада 37,1 миллиарда лет, долгоживущая пара распада Lu-Hf сохраняется в геологических масштабах времени, поэтому полезна в геологических исследованиях. Из-за химических свойств двух элементов, а именно их валентностей и ионных радиусов, Lu обычно находится в следовых количествах в минералах, любящих редкоземельные элементы, таких как гранат и фосфаты, в то время как Hf обычно находится в следовых количествах в минералах, богатых цирконием., такие как циркон, бадделеит и циркелит.
Следы концентрации Lu и Hf в земных материалах вызвали некоторые технологические трудности при широком использовании Lu-Hf датирования в 1980-х годах. Благодаря использованию масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) с мультиколлектором (также известной как MC-ICP-MS) в более поздние годы, метод датирования стал применимым для датирования различных материалов земли. Система Lu-Hf в настоящее время является обычным инструментом в геологических исследованиях, таких как петрогенезис магматических и метаморфических пород, ранняя дифференциация земной мантии и коры и происхождение.
Лютеций - это редкоземельный элемент с одним природным стабильным изотопом 175 Lu и одним природным радиоактивным изотопом 176 Lu. Когда 176 атомов Lu включаются в земные материалы, такие как горные породы и минералы, они начинают «захватываться», начиная распадаться. В результате радиоактивного распада нестабильное ядро распадается на другое относительно стабильное. Радиометрическое датирование использует соотношение распада, чтобы вычислить, как долго атомы были «захвачены», то есть время, прошедшее с момента образования земного материала.
Единственный встречающийся в природе радиоактивный изотоп лютеция распадается двумя способами:
Lutetium, может распадаться, более тяжелый элемент, или иттербия, более светлый элемент. Однако, поскольку основной способ распада - это β - излучение, то есть высвобождение электрона (e -), как и в случае распада на, присутствие Lu-Hf оказывает незначительное влияние на определение возраста Lu – Hf.
Исходный рисунок 2 от Debaille et al. (2017); Пример изохроны Lu / Hf. Константу распада можно получить с помощью экспериментов по прямому счету и сравнения Lu – Hf возрастов с возрастом других изотопных систем образцов, возраст которых определен. Общепринятая постоянная распада составляет 1,867 (± 0,007) × 10 −11 год −1. Однако остаются расхождения в величине постоянной распада.
Уравнение возраста составляется для каждого метода радиометрического датирования, чтобы описать математическое соотношение количества родительских и дочерних нуклидов. В системе Lu – Hf родительский элемент - это Lu (радиоактивный изотоп), а Hf - дочерний нуклид (продукт после радиоактивного распада). Уравнение возраста для системы Lu – Hf выглядит следующим образом:
где:
Два изотопа, 176 Lu и 176 Hf, в системе измеряются как отношение к эталонному стабильному изотопу 177 Hf. Измеренное соотношение можно получить с помощью масс-спектрометрии. Обычной практикой геохронологического датирования является построение изохронного графика. Множественные наборы данных будут измерены и нанесены на график с 176 Hf / 177 Hf по оси y и 176 Lu / 177 Hf по оси x. Получится линейная зависимость. Первоначальное соотношение можно принять как естественное соотношение изотопов изотопов или, для лучшего подхода, полученное из пересечения по оси y построенной изохроны. Наклон построенной изохроны будет представлять.
Значение ɛHf является выражением отношения образца к соотношению хондритового однородного коллектора. Использование значения Hf - обычная практика в исследованиях Hf. ɛHf в настоящее время имеет диапазон значений от +15 до -70. ɛHf выражается следующим уравнением:
где:
Принципиальная диаграмма, показывающая движение элемента, начиная с планетезимальной формации. Светло-синие частицы представляют собой летучие элементы, которые не будут конденсироваться во время формирования Земли на ранней стадии. Темно-коричневые и оранжевые частицы являются тугоплавкими элементами, которые конденсируются с образованием твердой Земли (обозначено черным кружком). Темно-коричневые частицы представляют собой сидерофильные элементы, которые опускаются к центру Земли во время формирования ядра, а оранжевые литофильные элементы - нет. Согласно схеме классификации Гольдшмидта, Lu и Hf оба являются литофильными (любящими землю) элементами, что означает, что они в основном находятся в силикатной фракции Земли, то есть в мантии и коре. Во время формирования Земли два элемента, как правило, не фракционировались в ядро во время формирования ядра, то есть не концентрировались в ядре, в отличие от сидерофильных элементов (железолюбивых элементов). Lu и Hf также являются тугоплавкими элементами, что означает, что они быстро конденсировались из протопланетного диска, образуя твердую часть Земли, в отличие от летучих элементов. В результате эти два элемента не могли быть обнаружены в ранней атмосфере Земли. Благодаря этим характеристикам, два элемента являются относительно стационарными на протяжении всей планетарной эволюции и, как считается, сохраняют характеристики изотопного состава примитивного планетарного материала, то есть хондритового однородного резервуара (CHUR).
И Lu, и Hf являются несовместимыми микроэлементами и относительно неподвижны. Однако Hf более несовместим, чем Lu, и поэтому он относительно обогащен коркой и силикатными расплавами. Таким образом, более высокое отношение Lu / Hf (также означающее более высокое соотношение 176 Hf / 177 Hf со временем из-за распада Lu) обычно обнаруживается в остаточном твердом веществе во время частичного плавления и удаления жидкости из геохимического коллектора. Следует отметить, что изменение отношения Lu / Hf обычно очень мало.
Значения ɛHf тесно связаны с обогащением или истощением Hf по сравнению с однородным хондритовым резервуаром. Положительное значение ɛHf означает, что концентрация 176 Hf в образце больше, чем в однородном хондритовом резервуаре. Это также означает более высокое отношение Lu / Hf в образце. Положительное значение будет обнаружено в твердом остатке после экстракции из расплава, так как жидкость будет обогащена Hf. Стоит отметить, что обогащение Hf в расплаве будет означать удаление более распространенных изотопов Hf в большей степени, чем 176 Hf, что приведет к наблюдаемому обогащению 176 Hf / 177 Hf в твердом остатке. Используя ту же логику, отрицательное значение ɛHf будет представлять извлеченный расплав из коллектора, образующий выделившийся ювенильный материал.
Исходная цифра 9 от Rehman et al. (2012) показали промежуточный, смешанный тренд ɛHf для изученных эклогитов. Экспериментальные результаты показывают, что эклогиты образовались из базальта океанических островов с загрязнением осадками, что привело к промежуточным значениям Hf.
Исходный рисунок 9 от Rehman et al. (2012); Пример сюжета ɛHf. 
Схематическая диаграмма эволюции Hf. Черная кривая построена с использованием значений 176 Hf / 177 Hf из работы Патчетта и Тацумото (1980). Все остальные кривые и значения являются гипотетическими. Предполагалось, что 4,55 миллиарда лет были временем формирования Земли. Хондритовый равномерная пластовая модель возраст является возрастом, в котором материал, из которого пород и минералов форма, покидает хондритовое равномерное водохранилище, т.е. мантии, при предположении, силикатный землю сохранила химическую подпись хондритового однородного резервуара. Как описано в предыдущем разделе, плавление вызовет фракционирование Lu и Hf в расплаве и твердом остатке, что приведет к отклонению значений Lu / Hf и Hf / Hf от хондритовых однородных значений резервуара. Время или возраст, при котором значения Lu / Hf и Hf / Hf из образца и однородного хондритового коллектора совпадают, является возрастом модели хондритового однородного коллектора.
где:
Модель хондритового однородного коллектора жестко ограничена, чтобы использовать систему Lu – Hf для определения возраста. Хондриты представляют собой примитивные материалы из солнечной туманности, которые позже срастаются, образуя планетезимали, и в дальнейшем означают примитивную недифференцированную Землю. Хондритовый однородный резервуар используется для моделирования химического состава силикатных слоев Земли, поскольку на эти слои не повлияли процессы планетарной эволюции. Чтобы охарактеризовать хондритовый однородный состав коллектора с точки зрения Lu и Hf, хондриты различных петрологических типов используются для анализа концентраций Lu и Hf.
Однако остаются несоответствия и соотношения. Ранее исследования проводились на хондритах всех петрологических типов. Коэффициенты доходности варьируются на 18% или даже на 28%. Полученные коэффициенты варьируются на 14 единиц Hf. Одно более позднее исследование было сосредоточено на хондритах петрологических типов от 1 до 3, которые неравновесны, показывают вариацию в соотношении 3% и 4 единицы ɛHf в соотношении.
В первые годы, примерно в 1980-х годах, определение возраста на основе системы Lu – Hf использовало химическое растворение образца и масс-спектрометрию с термоионизацией (TIMS). Обычно образцы горных пород измельчают и обрабатывают HF и HNO 3 в тефлоновой бомбе. Бомбу помещают в печь при 160 ° C на четыре дня. Затем следует кислотная обработка для очистки от основных элементов и других нежелательных микроэлементов. В разных исследованиях могут использоваться несколько разные протоколы и процедуры, но все они пытаются обеспечить полное растворение материалов, содержащих Lu и Hf. Метод изотопного разбавления часто необходим для точного определения концентраций. Разбавление изотопов осуществляется путем добавления материалов с известной концентрацией Lu и Hf в растворенные образцы. Затем образцы могут проходить через TIMS для сбора данных.
Вышеупомянутые процедуры подготовки проб препятствуют удобному анализу Lu – Hf, что ограничивает его использование в 1980-х годах. Кроме того, для успешного определения возраста с использованием TIMS требуются образцы с высокой концентрацией Lu и Hf. Однако обычные минеральные фазы имеют низкие концентрации Lu и Hf, что снова ограничивает использование Lu – Hf.
Наиболее распространенными аналитическими методами определения Lu – Hf в настоящее время является масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP – MS). ICP – MS с мультиколлектором позволяет проводить точное определение материалов с низкой концентрацией Hf, таких как апатит и гранат. Количество образца, необходимого для определения, также меньше, что облегчает использование циркона для определения возраста Lu – Hf.
Селективное растворение, то есть растворение граната, но с сохранением неповрежденных тугоплавких включений, применяется к системе Lu – Hf.
Изотопная система Lu – Hf может предоставить информацию о том, где и когда возникло магматическое тело. Путем определения концентрации Hf для цирконов из гранитов A-типа в Лаврентии были получены значения ɛHf в диапазоне от -31,9 до -21,9, что соответствует коровому происхождению расплава. Апатит также имеет многообещающую информацию о Lu – Hf, поскольку апатит имеет высокое содержание Lu по сравнению с содержанием Hf. В случаях, когда породы бедны кремнеземом, если можно идентифицировать более развитые породы того же магматического происхождения, апатит может предоставить данные о высоком отношении Lu / Hf для получения точной изохроны, с примером из Smålands Taberg, южная Швеция, где апатит Lu / Hf возраст 1204,3 ± 1,8 миллиона лет был идентифицирован как нижняя граница 1,2-миллиардного магматического события, которое вызвало Fe-Ti минерализацию в Smålands Taberg.
Гранат, обычная метаморфическая минеральная мишень для датирования Lu / Hf. При понимании метаморфических пород Lu-Hf все еще может предоставить информацию о происхождении. В случаях, когда фаза циркона отсутствует или ее очень мало, например эклогит с кумулированным протолитом, эклогиты кианита и ортопироксена могут быть кандидатами для анализа на Hf. Хотя общая концентрация редкоземельных элементов в двух эклогитах низкая, отношение Lu / Hf высокое, что позволяет определять концентрации Lu и Hf.
Гранаты играют важную роль в применении Lu / Hf, поскольку они являются обычными метаморфическими минералами, обладающими высоким сродством к редкоземельным элементам. Это означает, что у гранатов обычно высокое отношение Lu / Hf. Датирование гранатов с помощью Lu – Hf может предоставить информацию об истории роста граната во время прогрессивного метаморфизма и в условиях пика PT. С помощью определения возраста граната Lu / Hf, проведенного в исследовании Lago di Cignana, западные Альпы, Италия, было установлено, что нижняя граница времени роста граната составляет 48,8 ± 2,1 миллиона лет. Исходя из этого, скорость захоронения пород сверхвысокого давления в Lago di Cignana была оценена в 0,23–0,47 см / год, что предполагает, что породы дна океана были перенесены в субдукцию и достигли условий метаморфизма сверхвысокого давления.
Условные изохронные возрасты получены по объемным выделениям граната и являются лишь оценкой среднего возраста всего роста граната. Чтобы дать точные оценки скорости роста одиночного кристалла граната, геохронологи используют методы микросэмплинга для сбора и датирования небольших последовательных зон кристаллов граната.
Другой низкотемпературный минерал с индексом метаморфизма высокого давления, лавсонит, был использован в последние годы для понимания субдукционного метаморфизма с использованием датирования Lu / Hf. Исследование показало, что лавсонит может иметь важное значение при датировании низкотемпературных метаморфических пород, как правило, при прогрессивном метаморфизме в условиях зоны субдукции, поскольку гранаты образуются после стабилизации лавсонита, так что лавсонит может быть обогащен Lu для радиометрического датирования.
Процесс образования коры предположительно химически истощает мантию, поскольку кора формируется из частичных расплавов, происходящих из мантии. Однако нельзя было сделать вывод о процессе и степени истощения на основании нескольких изотопных характеристик, поскольку считается, что некоторые изотопные системы подвержены восстановлению в результате метаморфизма. Чтобы еще больше ограничить моделирование обедненной мантии, полезна информация по Lu – Hf из цирконов, поскольку цирконы устойчивы к повторному уравновешиванию Lu – Hf.
Осло Рифт, также известный как Осло Грабен. Возраст Hf, определенный по обломочному циркону, может помочь идентифицировать главное событие роста земной коры. Путем анализа обломочного циркона в отложениях реки Янцзы группа исследователей произвела статистическое распределение Hf-модельных возрастов отложений. Выявлены статистические пики возрастных диапазонов: 2000–1200 млн. Лет, 2700–2400 млн. Лет и 3200–2900 млн. Лет, что указывает на события роста земной коры от палеопротерозоя до мезопротерозоя и архея в Южно-Китайском блоке.
Возраст от обломочного циркона также помогает отследить источник отложений. Исследование обломочного циркона из песчаников в рифте Осло, Норвегия, выявило основной источник отложений в регионе Фенноскандии, а также второстепенный источник в горах Варискан в центральной Европе в период от позднего девона до позднего карбона по U-Pb и Lu-Hf характеристикам материнских пород и отложения.
- измеренное соотношение двух изотопов образца.
- начальное соотношение двух изотопов при формировании образца.
- измеренное соотношение двух изотопов образца.
![{\ displaystyle \ varepsilon _ {{\ ce {Hf}} (0)} = \ left [{\ frac {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {176} Hf}}} {{\ ce { ^ {177} Hf}}}} \ right) _ {{\ ce {sample}} (0)}} {\ left ({\ frac {{\ ce {^ {176} Hf}}}} {{\ ce {^ {177} Hf}}}} \ right) _ {{\ ce {CHUR}} (0)}}} - 1 \ right] \ times 10 \, 000}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f31b4f86feda2a565d68eda22125b39be91756bc)
- отношение Hf-176 к Hf-177 в образце. Для t = 0 это отношение в настоящее время.
- отношение Hf-176 к Hf-177 в ![{\ displaystyle t _ {{\ ce {CHUR}}} = \ left ({\ frac {1} {\ lambda}} \ right) \ ln \ left [1 + {\ frac {\ left ({\ frac {{ \ ce {^ {176} Hf}}} {{\ ce {^ {177} Hf}}}} \ right) _ {\ text {sample (0)}} - \ left ({\ frac {{\ ce {^ {176} Hf}}} {{\ ce {^ {177} Hf}}}} \ right) _ {\ text {CHUR (0)}}} {\ left ({\ frac {{\ ce { ^ {176} Lu}}} {{\ ce {^ {177} Hf}}}} \ right) _ {\ text {sample (0)}} - \ left ({\ frac {{\ ce {^ { 176} Lu}}} {{\ ce {^ {177} Hf}}}} \ right) _ {\ text {CHUR (0)}}}} \ right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c422620cfe59ec2c0b83d35a5f3887dea500b689)
