Лютеций-гафниевое датирование — это геохронологический метод датирования, использующий систему радиоактивного распада лютеция -176 до гафния -176. [1] С общепринятым периодом полураспада 37,1 миллиарда лет, [1] [2] долгоживущая пара распада Lu-Hf сохраняется в течение геологических масштабов времени, поэтому она полезна в геологических исследованиях. [1] 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 , таких как циркон , бадделеит и циркелит . [3]
Следовая концентрация Lu и Hf в горных породах создавала некоторые технологические трудности при широком использовании датирования Lu–Hf в 1980-х годах. [1] С использованием индуктивно-связанной плазменной масс-спектрометрии (ИСП–МС) с несколькими коллекторами (также известной как МК–ИСП–МС) в более поздние годы метод датирования стал применимым для датирования разнообразных горных пород. [1] Система Lu–Hf в настоящее время является распространенным инструментом в геологических исследованиях, таких как петрогенезис магматических и метаморфических пород , ранняя дифференциация мантии и коры Земли и происхождение . [1] [3]
Лютеций — редкоземельный элемент , имеющий один естественный стабильный изотоп 175 Lu и один естественный радиоактивный изотоп 176 Lu. [3] Когда атомы 176 Lu включаются в земные материалы, такие как камни и минералы, они начинают «захватываться», одновременно распадаясь. [4] В результате радиоактивного распада нестабильное ядро распадается на другое относительно стабильное. [4] Радиометрическое датирование использует соотношение распада для расчета того, как долго атомы были «захвачены», т. е. времени с момента образования земного материала. [4]
Единственный встречающийся в природе радиоактивный изотоп лютеция распадается следующими двумя способами: [3]
Лютеций , может распадаться на , более тяжелый элемент, или иттербий , , более легкий элемент. [3] Однако, поскольку основным способом распада является β − -излучение, т.е. высвобождение электрона (e − ), как в случае распада на , присутствие оказывает незначительное влияние на определение возраста Lu–Hf. [5]
Постоянную распада можно получить с помощью экспериментов по прямому счету [7] и путем сравнения возрастов Lu–Hf с возрастами других изотопных систем образцов, возраст которых определен. [8] Общепринятая постоянная распада имеет значение 1,867 (± 0,007) × 10−11 год − 1 . [9] Однако остаются расхождения относительно значения постоянной распада. [2]
Уравнение возраста устанавливается для каждого метода радиометрического датирования, чтобы описать математическое соотношение количества родительских и дочерних нуклидов. [4] В системе Lu–Hf родительским будет Lu (радиоактивный изотоп), а Hf — дочерний нуклид (продукт радиоактивного распада). [3] [4] Уравнение возраста для системы Lu–Hf выглядит следующим образом: [3]
где:
Два изотопа, 176 Lu и 176 Hf, в системе измеряются как отношение к эталонному стабильному изотопу 177 Hf. [3] [4] Измеренное отношение может быть получено с помощью масс-спектрометрии . Обычной практикой для геохронологического датирования является установление изохронного графика. [4] Множественные наборы данных будут измерены и нанесены на график с 176 Hf/ 177 Hf на оси y и 176 Lu/ 177 Hf на оси x. [4] Будет получена линейная зависимость. [4] Начальное отношение может быть либо принято как естественное изотопное отношение распространенности, либо, для лучшего подхода, получено из y-пересечения нанесенной изохроны . [3] Наклон нанесенной изохроны будет представлять . [3] [4]
Значение ɛHf является выражением отношения образца к отношению однородного хондритового резервуара . [3] Использование значения ɛHf является обычной практикой в исследованиях Hf. [3] В настоящее время ɛHf имеет диапазон значений от +15 до -70. [10] ɛHf выражается следующим уравнением: [3] [4]
где:
Согласно схеме классификации Гольдшмидта , Lu и Hf являются литофильными (землелюбивыми) элементами, то есть они в основном встречаются в силикатной фракции Земли, то есть в мантии и коре. [4] Во время формирования Земли эти два элемента, как правило, не фракционировались в ядре во время формирования ядра, то есть не концентрировались в ядре, в отличие от сидерофильных элементов (железолюбивых элементов). [2] Lu и Hf также являются тугоплавкими элементами, то есть они быстро конденсировались из протопланетного диска , образуя твердую часть Земли, в отличие от летучих элементов. [2] В результате эти два элемента не были бы обнаружены в ранней атмосфере Земли. [2] Благодаря этим характеристикам эти два элемента относительно неподвижны на протяжении всей планетарной эволюции и, как полагают, сохраняют изотопные характеристики распространенности примитивного планетарного материала, то есть хондритового однородного резервуара (CHUR). [2]
И Lu, и Hf являются несовместимыми следовыми элементами и относительно неподвижны. [1] Однако Hf более несовместим, чем Lu, и поэтому он относительно обогащен в коре и в силикатных расплавах. [1] Таким образом, более высокое отношение Lu/Hf (что также означает более высокое отношение 176 Hf / 177 Hf с течением времени из-за распада Lu) обычно обнаруживается в остаточном твердом веществе во время частичного плавления и удаления жидкости из геохимического резервуара. [1] [3] Стоит отметить, что изменение отношения Lu/Hf обычно очень мало. [1]
Значения ɛHf тесно связаны с обогащением или истощением Hf относительно однородного хондритового резервуара . [3] Положительное значение ɛHf означает, что концентрация 176Hf в образце больше, чем в однородном хондритовом резервуаре . [3] Это также означает более высокое отношение Lu/Hf в образце. [3] Положительное значение будет обнаружено в твердом остатке после извлечения расплава, поскольку жидкость будет обогащена Hf. [3] Стоит отметить, что обогащение Hf в расплаве будет означать удаление более распространенных изотопов Hf в большей степени, чем 176Hf , что приведет к наблюдаемому обогащению 176Hf / 177Hf в твердом остатке. [3] Используя ту же логику, отрицательное значение ɛHf будет представлять извлеченный расплав из резервуара, образующий эволюционировавший, ювенильный материал. [3]
Оригинальный рисунок 9 от Rehman et al. (2012) показал промежуточный, смешанный тренд ɛHf для эклогитов , которые были изучены. Экспериментальный результат показывает, что эклогиты были сформированы из базальта океанических островов с загрязнением от осадков для получения промежуточных значений ɛHf. [11]
Возраст модели однородного хондритового резервуара — это возраст, в котором материал, из которого образуются горные породы и минералы, покидает однородный хондритовый резервуар, т. е. мантию, при условии, что силикатная земля сохранила химическую сигнатуру однородного хондритового резервуара. [4] 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 значений однородного хондритового резервуара. [3] Время или возраст, в котором значения Lu/Hf и Hf/Hf из образца и однородного хондритового резервуара совпадают, является возрастом модели однородного хондритового резервуара. [3] [4]
где:
Модель однородного хондритового резервуара жестко ограничена для использования системы Lu–Hf для определения возраста. [3] Хондриты представляют собой примитивные материалы из солнечной туманности , которые позже аккрецируют, образуя планетезимали , и в дальнейшем означают примитивную недифференцированную Землю. [2] Однородный хондритовый резервуар используется для моделирования химии силикатных слоев Земли, поскольку эти слои не были затронуты процессами планетарной эволюции. [2] Чтобы охарактеризовать состав однородного хондритового резервуара с точки зрения Lu и Hf, хондриты различных петрологических типов используются для анализа концентраций Lu и Hf. [2]
Однако расхождения и соотношений остаются. [2] Более ранние исследования проводились на хондритах всех петрологических типов. [12] [13] Полученные соотношения варьируются на 18%, [ 12] или даже на 28%. [13] Полученные соотношения варьируются на 14 единиц ɛHf. [12] Одно из более поздних исследований было сосредоточено на хондритах петрологических типов 1–3, которые не находятся в равновесии, и показывает вариацию в 3% в соотношениях и 4 единицы ɛHf в соотношениях. [2]
В самые ранние годы, около 1980-х годов, для определения возраста на основе системы Lu–Hf использовалось химическое растворение образца и масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS). [1] Обычно образцы горных пород измельчаются и обрабатываются HF и HNO3 в тефлоновой бомбе. [3] Бомба помещается в печь при температуре 160 °C на четыре дня. [3] После этого следует кислотная обработка для очистки от основных элементов и других нежелательных микроэлементов. [14] В различных исследованиях могут использоваться немного разные протоколы и процедуры, но все они направлены на обеспечение полного растворения материалов, содержащих Lu и Hf. [2] [14] Методика изотопного разбавления часто необходима для точного определения концентраций. [1] [3] Изотопное разбавление выполняется путем добавления материалов с известной концентрацией Lu и Hf в растворенные образцы. [1] Затем образцы могут быть пропущены через TIMS для получения данных. [1] [2]
Вышеуказанные процедуры подготовки образцов препятствуют удобному анализу Lu–Hf, тем самым ограничивая его использование в 1980-х годах. [1] Кроме того, для успешного определения возраста с помощью TIMS требуются образцы с высокой концентрацией Lu и Hf. [1] Однако обычные минеральные фазы имеют низкие концентрации Lu и Hf, что снова ограничивает использование Lu–Hf. [1]
Наиболее распространенным аналитическим методом определения Lu–Hf в настоящее время является масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП–МС). [1] ИСП–МС с несколькими коллекторами позволяет проводить точное определение с материалами с низкой концентрацией Hf, такими как апатит и гранат. [1] Количество образца, необходимое для определения, также меньше, что облегчает использование циркона для определения возраста Lu–Hf. [1]
Избирательное растворение, т.е. растворение граната, но сохранение тугоплавких включений, применяется к системе Lu–Hf. [15] [16] [17]
Изотопная система Lu–Hf может предоставить информацию о том, где и когда возникло магматическое тело. Применяя определение концентрации Hf к цирконам из гранитов типа A в Лаврентии , были получены значения ɛHf в диапазоне от −31,9 до −21,9, что представляет собой коровое расплавленное происхождение. [18] Апатит также имеет многообещающую информацию о Lu–Hf, поскольку апатит имеет высокое содержание Lu относительно содержания Hf. В случаях, когда породы бедны кремнеземом, если можно идентифицировать более эволюционировавшие породы того же магматического происхождения, апатит может предоставить данные о высоком отношении Lu/Hf для получения точной изохроны, с примером из Смоландс Таберг, южная Швеция, где возраст апатита Lu/Hf 1204,3 ± 1,8 млн лет был идентифицирован как нижняя граница 1,2 млрд лет магматического события, которое вызвало минерализацию Fe–Ti в Смоландс Таберг. [19]
При изучении метаморфических пород Lu–Hf все еще может предоставить информацию о происхождении. В случаях, когда фаза циркона отсутствует или очень мало распространена, например, эклогит с кумулятивным протолитом , кианитовые и ортопироксеновые эклогиты могут быть кандидатами для анализа Hf. Хотя общая концентрация редкоземельных элементов низкая в двух эклогитах, соотношение Lu/Hf высокое, что позволяет определять концентрацию Lu и Hf. [20]
Гранаты играют важную роль в применении Lu/Hf, поскольку они являются распространенными метаморфическими минералами, имея при этом высокое сродство к редкоземельным элементам . [1] Это означает, что гранаты, как правило, имеют высокие отношения Lu/Hf. [1] Датирование гранатов с помощью Lu–Hf может предоставить информацию об истории роста граната во время прогрессивного метаморфизма и пиковых условиях PT . [21] С помощью датирования граната Lu/Hf, исследование на озере Чиньяна, западные Альпы, Италия, определило возраст 48,8 ± 2,1 млн лет для нижней границы времени роста граната. [22] Исходя из этого, скорость захоронения пород сверхвысокого давления в озере Чиньяна была оценена в 0,23–0,47 см/год, что предполагает, что породы океанического дна были перемещены вниз до субдукции и достигли условий метаморфизма сверхвысокого давления. [22]
Обычные изохронные возрасты получаются из объемных гранатовых отделений и являются лишь оценкой среднего возраста общего роста граната. Чтобы дать точные оценки темпа роста отдельного гранатового кристалла, геохронологи используют методы микровыборки для сбора и датирования небольших последовательных зон гранатовых кристаллов. [23] [24] [25]
Другой низкотемпературный, высокобарический метаморфический индексный минерал, лавсонит, был введен в использование в последние годы для понимания субдукционного метаморфизма с использованием датирования Lu/Hf. [26] Исследование показало, что лавсонит может быть важен для датирования низкотемпературных метаморфических пород, как правило, при прогрессивном метаморфизме в условиях зоны субдукции, поскольку гранаты образуются после стабилизации лавсонита, поэтому лавсонит может быть обогащен Lu для радиометрического датирования. [27]
Процесс образования коры предположительно химически истощает мантию, поскольку кора формируется из частичных расплавов, происходящих из мантии. [12] Однако процесс и степень истощения не могут быть заключены на основе нескольких изотопных характеристик, поскольку некоторые изотопные системы, как полагают, подвержены переустановке в результате метаморфизма. [28] Для дальнейшего ограничения моделирования истощенной мантии полезна информация Lu–Hf из цирконов, поскольку цирконы устойчивы к повторному уравновешиванию Lu–Hf. [29]
Возрасты Hf, определенные по детритовому циркону, могут помочь идентифицировать основные события роста земной коры. [30] Анализируя детритовый циркон в отложениях реки Янцзы, группа исследователей вывела статистическое распределение модельных возрастов Hf осадков. [30] Были идентифицированы статистические пики возрастных диапазонов: 2000–1200 млн лет, 2700–2400 млн лет и 3200–2900 млн лет, что указывает на события роста земной коры в возрасте от палеопротерозоя до мезопротерозоя и архея в Южно-Китайском блоке. [30]
Возраст Hf из детритового циркона также помогает отслеживать источник осадка. [31] Исследование детритового циркона из песчаников в рифте Осло, Норвегия, выявило основной источник осадконакопления в регионе Фенноскандия, а также второстепенный источник в горах Варискан в Центральной Европе в период с позднего девона по поздний карбон по характеристикам U–Pb и Lu–Hf исходных пород и осадков. [31]