全岩Lu-Hf同位素研究综述

戴梦宁，宗春蕾

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069)



全岩Lu-Hf同位素研究综述

戴梦宁，宗春蕾

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

近半个世纪以来，同位素地质学得到了广泛的应用，所获得的年代学与地球化学数据为确定岩石的形成时间、演化及其地球动力学背景提供了重要参数。本文就全岩Lu-Hf同位素定年及岩石学应用等方面进行总结，结合对华北南缘包体的研究，对全岩Lu-Hf等时线定年、岩石成因研究、壳幔分异和地壳内部的演化等问题进行讨论，发现在Lu-Hf同位素分析过程中，仍需对Lu的衰变常数精准厘定，并对Hf同位素分离和提取方法进一步优化。

Lu-Hf同位素；Lu-Hf等时线；Hf-Nd解耦

Lu是最重的稀土元素，其化合价为+3，离子半径为0.93Å；Hf是与Ti、Zr相同的高场强元素，化合价为+4，离子半径为0.71Å。从相容性角度来看，Lu为弱-中等不相容元素，而Hf为中等不相容元素。在自然界中，Lu有两个同位素，175Lu 和176Lu；Hf有6个同位素，174Hf,176Hf,177Hf,178Hf,179Hf与180Hf。

由于Hf同位素中，部分176Hf可由176Lu衰变而来，这样用稳定的177Hf同位素标准化可获得样品的176Lu/177Hf与176Hf/177Hf比值，从而使Lu-Hf体系成为与通常Rb-Sr和Sm-Nd体系相同的同位素定年工具。同时，其176Hf/177Hf比值通过时间校正后，可对岩石的成因提供重要信息。

然而，与其他同位素体系相比，Lu-Hf同位素体系的发展由于受技术上的限制而显得较慢[1]，在80年代才开始其真正意义上的地质应用研究，近年来，多接收等离子体质谱(MC-ICP-MS)技术的出现才使得Lu-Hf同位素体系的发展步伐大大加快，所获得的资料为解决与岩石成因有关的一系列重要地质问题提供了新的途径[2]。

1 Lu-Hf同位素等时线年代学研究

1.1 Lu-Hf等时线定年

Lu-Hf体系是介于长寿命半衰期和短寿命半衰期之间的一种同位素体系，在定年方面，可以对Rb-Sr、Sm-Nd和U-Pb体系进行补充和制约。通过获得一组样品的176Lu/177Hf和176Hf/177Hf同位素比值，可以构筑一条等时线。而该等时线的斜率与其形成年龄有关，截距则代表了地质体形成时的初始Hf同位素组成。其计算公式为：

(176Hf/177Hf)t = (176Hf/177Hf)initial + (176Lu/177Hf)t×(et-1)

与其它等时线原理相同，Lu-Hf等时线也必须满足同源、同时和封闭这三个条件。

Patchett and Tatsumoto率先运用Lu-Hf等时线的斜率反算出176Lu的衰变常数[3]。Pettingill and Patchett发表了西格陵兰Amitsoq片麻岩的全岩Lu-Hf等时线[4]，所获得的年龄为3.55±0.22 Ga。此外，Barfod et al.对我国华南陡山坨组地层进行全岩Lu-Hf等时线研究[5]，与由Pb-Pb法获得的年龄在误差范围内一致，证明了在同类地层岩石中未来进行进一步探索的可能性。Lu-Hf全岩等时线定年相继产出一些成果[6,7]。

1.2 Lu-Hf等时线的研究对象

对岩浆岩全岩整体分析而言，目前积累的资料还难以说明这些岩石是否具有足够大的Lu/Hf比值范围，以构筑精度较高的等时线[8]。因此，目前较多的研究青睐于Lu/Hf比值较高的矿物来构筑矿物等时线。在这方面，含石榴石和磷灰石的岩石是目前Lu-Hf等时线定年中最常见的对象。

1.2.1 石榴石及榴辉岩的Lu-Hf同位素研究

石榴石是结晶岩，特别是变质岩中一种非常常见的矿物，可为岩石形成的温压条件提供重要参数，因而是当前同位素定年的重要研究对象。石榴石中由于具有其它矿物包裹体，因此难以构筑高质量的Sm-Nd等时线。然而，这些矿物包裹体中Lu/Hf远小于石榴石，因而对Lu-Hf同位素体系并无太大的影响。因此，就榴辉岩或含石榴石的岩石而言，其Lu-Hf 定年对矿物纯度的要求远比Sm-Nd 法要低。同时，由于Lu的衰变常数比Sm约高三倍，因而即使对新生代岩石而言，仍可获得较高精度的Lu-Hf等时线。但是，如果石榴石中含有锆石等Lu/Hf 比较高的矿物包裹体，则所构筑的Lu-Hf矿物等时线年龄有时可能是无意义的[2,9]。

意大利西部阿尔卑斯造山带中柯石英榴辉岩是目前Lu-Hf等时线法定年的典型代表。运用MC-ICP-MS技术，Duchene et al.对该地区的榴辉岩全岩样品及其主要造岩矿物(包括石榴石、多硅白云母和单斜辉石)进行了Lu-Hf与Sm-Nd同位素定年研究[10]。所获得的由下而上三个地质单元榴辉岩的Lu-Hf矿物内部等时线年龄与每个单元内部运用锆石U-Pb、石榴石Sm-Nd和多硅白云母Ar-Ar所获得的年龄一致，这不仅表明年龄的可信性，而且反映该地区上部的超高压变质岩较其下部者较早折返，且这些岩石均经历了快速的折返过程。自此，石榴石成为Lu-Hf同位素体系的重要研究对象，并有学者开展了大量研究[9,11-13]，石榴石是Lu-Hf同位素地质年代学研究的重要内容。

1.2.2 磷灰石的Lu-Hf同位素研究

磷灰石是另一个Lu/Hf 比值较高的矿物，由于该矿物不仅产于通常的岩浆岩和变质岩中，在沉积岩中也经常出现，因而也是进行沉积作用定年的重要对象。Barfod et al.对Gardiner、Skaergaard和Khibina三个侵入体岩石中的磷灰石、异性石、榍石和全岩进行了Lu-Hf同位素测定[14]，所获得的等时线年龄分别为53.53±0.53、60.18±0.45和402.4±2.8 Ma的年龄。同时，该作者还对矽卡岩中的变质成因磷灰石和沉积岩中生物成因的磷灰石进行了测定，也获得了理想的结果，充分显示了磷灰石在Lu-Hf同位素定年上的巨大潜力。

除石榴石和磷灰石外，Mulcahy et al.应用Lu-Hf同位素硬柱石定年对加利福尼亚蒂布龙半岛Ring山脉的硬柱石蓝片岩研究获得了较好的年龄[15]，与前人研究结果相一致，为Lu-Hf同位素定年进行了新的探索。

总而言之，Lu-Hf同位素年代学研究目前越来越多的受到广大学者的重视，其具有广阔的发展前景和应用领域。

2 Hf-Nd同位素的相关性与解耦

放射性同位素在岩石学领域得到了广泛的应用，所获得的年代学与地球化学数据为确定岩石的形成时间、演化及其地球动力学背景提供了重要参数。

随着测试技术的不断进步，近年来Hf同位素在岩石成因演化方面的研究被越来越多的国内外学者应用[16,17]。

Lu与Hf均为难熔(highly refractory)的中等-强不相容性亲石元素，这一点与Sm-Nd体系有很大的类似性。Hf和Nd同位素的母体(176Lu和147Sm)在部分熔融过程中都较其子体(176Hf和143Nd)更相容[2]。上述Sm-Nd、Lu-Hf体系的相似性导致Nd与Hf同位素间一般呈现正相关关系(图1)。

图1 地球岩石的Nd-Hf同位素相关图 (Vervoort et al., 1999)

尽管大量研究已证实Hf-Nd同位素之间存在一定的正相关性[18]，但这两体系仍有一定差别，与Sm-Nd 同位素体系中Sm和Nd 同属稀土元素的特点不同，Lu属稀土元素，而Hf属高场强元素，因而Lu和Hf的地球化学性质存在显著差异。因此在岩石变质和岩浆作用过程中, 有可能εHf与εNd之间并不存在预想的正相关关系，即Hf-Nd同位素之间发生了解耦，这种差异为认识壳幔分异和地壳内部的演化提供了重要手段。

2.1 地壳岩石中的Nd-Hf同位素解耦

前人研究表明在深部地壳岩浆和变质作用情况下，如果岩浆源区或变质过程中存在石榴石，Lu易富集于石榴石中, 而Hf则易富集于熔体相或其它矿物相，因此下地壳岩石176Hf/177Hf 相对143Nd/144Nd 偏高。Vervoort and Patchett模拟了石榴石残余对于Hf-Nd同位素解耦的贡献[19]，石榴石残余相组合能够产生高的放射性176Hf/177Hf，然而并无预期中明显，当石榴石丰度较低时，需要很长时间才演化出阵列，即使当石榴石丰度很高的情况下也需要极高程度的部分熔融才能导致明显的Hf-Nd同位素解耦。然而，尽管在局部地区存在Hf-Nd同位素解耦的实例，下地壳麻粒岩Hf-Nd同位素仍接近于全球Hf-Nd同位素阵列。此外，Chen et al.对苏鲁带榴辉岩模拟研究也证实了石榴石作为残余相情况下的部分熔融能导致明显的下地壳部分熔融(图2)[20]。

图2 模拟部分熔融对Hf-Nd同位素变化关系 (Chen et al., 2009)

下地壳Hf-Nd同位素解耦虽然很早受到了广大学者的重视，然后目前发表的下地壳Hf-Nd同位素数据仍较少，只有极个别下地壳包体具有Hf-Nd同位素解耦(图3)[21,22]。

笔者对华北南缘徐淮地区下地壳榴辉岩、石榴单斜辉石岩包体及其寄主岩石进行了全岩Hf-Nd同位素研究，研究表明几乎全部包体分布于全球阵列的左侧，即Hf和Nd同位素之间发生了明显解耦。前人对其中部分包体的主微量元素组成的研究指出，这些包体是华北克拉通太古代变基性岩部分熔融残余[23]，而其寄主岩石是熔体与地幔相互作用的结果。为验证徐淮地区包体Hf-Nd解耦是否是石榴石作为残余相部分熔融的结果，可将其回算到寄主岩石侵位年龄，结果所有包体分布于全球Hf-Nd同位素阵列，因此可推断部分熔融过程导致了Lu的富集，其导致现今高的Hf同位素组成。

对不同矿物组成、不同部分熔融程度对于Hf-Nd同位素变化进行了模拟，结果表明约30%部分熔融即可解释徐淮地区包体的同位素特征，对其产生的熔体与地幔之间相互作用也与寄主岩石同位素特征可较好拟合。而石榴石丰度对同一源区相同部分熔融程度的Hf-Nd同位素组成影响并不明显，只要石榴石含量超过6%，经历过一定程度熔体提取后，在足够长的时间均可产生解耦。因此，部分熔融程度是很重要的一个参数。

图3 Hf-Nd耦合和解耦的下地壳麻粒岩包体.

2.2 地幔岩石中的Hf-Nd同位素解耦

近年来的研究也发现，Hf-Nd同位素解耦也同样出现在地幔岩石中[6,21]。自Bizimis et al.首次报道了大洋岩石圈地幔Hf-Nd同位素解耦之后[24]，大陆地幔Hf-Nd同位素解耦也陆续被发现，Hf-Nd同位素的这种差异为认识壳幔分异和地壳内部的演化提供了重要手段。

关于地幔Hf-Nd同位素解耦的原因仍存在较多争议，如(1)部分熔融之后等压冷却过程中尖晶石和石榴石相转化导致HREE重新分布；(2)有石榴石存在的情况下地幔橄榄岩发生部分熔融，导致明显的Lu/Hf和Sm/Nd比值分异，因为石榴石优先富集Lu(Lu>Hf；Sm>Nd),因此导致高的Lu/Hf比值而相对变化较小的Sm/Nd比值，随时间演化为高的放射性Hf同位素组成；(3)熔体-地幔相互作用导致Hf同位素组成发生变化，而Nd同位素组成恒定不变；(4)由于交代机制不同使得交代作用导致不同的Lu-Hf和Sm-Nd同位素行为。

关于Hf-Nd同位素另一个引起学者广泛关注的问题就是，通过对现今玄武岩和球粒陨石Hf-Nd同位素系统研究发现，洋岛玄武岩和洋中脊玄武岩在εNd为零的情况下εHf值高于硅质地球值，但在误差范围内与Bouvier et al.提出的新值相吻合[25]。因此推断应存在一个与亏损地幔和大陆地壳互补的储库来平衡现今我们接受的整个硅质地球的Hf-Nd同位素预算。这个缺失的储库可能是古老洋壳和洋底高原玄武岩的再循环。Bizzarro et al.通过对北美格陵兰碳酸盐岩和金伯利岩Hf同位素研究[26]，首次报道了该储库的存在并模拟了其Lu、Hf、Sm和Nd含量，认为其代表了硅质地球质量的10%～15%。前人研究认为洋岛玄武岩和洋中脊玄武岩Hf-Nd同位素组成的地幔阵列是亏损地幔和富集的再循环组分混合形成，Chauvel et al.研究指出，玄武岩循环不足以产生地幔阵列，大洋沉积物的再循环也参与其中[27]。此外，其还指出，沉积过程可能产生位于整个硅质地球的Hf-Nd同位素阵列右侧的储库，富重矿物的碎屑物质可能代表了以低?Hf值为特征的隐藏储库。

2.3 小结

全岩Hf-Nd同位素常被用来示踪大洋或大陆地壳物质的再循环，从此为岩石源区探讨提供更准确有效的判断工具，也为壳-幔相互作用研究提供了很大帮助，对于我们认识地球储库的演化，源区组成特征具有重要作用。

Hf-Nd同位素的这种地球化学行为上的差异，能更有效的识别源区特征，尤其是在Sm-Nd体系已经开放的情况下，Lu-Hf同位素体系显示出巨大的优越性。在部分熔融过程中，Lu/Hf元素的比值变化范围要大于Sm/Nd的变化范围。同时，176Lu的半衰期(36Ga)要比147Sm的半衰期(108Ga)差不多要短三倍，从而出现在相同的时间内，Hf同位素比值的变化要大于Nd同位素的变化，这也使得Lu-Hf体系还可适应于年轻体系的研究。而在岩石风化过程中，Lu-Hf体系易发生变化，而Sm-Nd体系不会发生很大变化，因此，Hf-Nd同位素是目前岩石学研究的一个重要手段。

3 结语

本文通过对相关文献的阅读结合对华北南缘包体的研究，对全岩Hf同位素的应用进行了综述，主要涉及Lu-Hf等时线定年、岩石成因研究、壳幔分异和地壳内部的演化等方面。

关于Hf同位素研究还有些亟待去研究和解决的问题：

1)Lu的衰变常数厘定

Lu的衰变常数的精确厘定是Lu-Hf同位素地质年代学和地球化学研究的重要内容，因其涉及到初始Hf同位素的组成及年龄的计算，因此对于Hf同位素研究极其重要。尽管采用不同的176Lu的衰变常数对显生宙或较为年轻岩石的Hf同位素组成影响不大，但对太古宙早期的岩石来说，这种影响不能忽视。采用不同衰变常数对统一数据的计算结果完全不同，因此，衰变常数的精确测定具有重要意义。对于衰变常数测定，不同学者采用不同方法也取得了一些进展，高精度的数据是地质解释的保障和基础，因此，计算过程中Lu衰变常数的选择也显得较为重要。

2)Hf同位素的分离和提取方法优化

通过对样品的全岩Hf同位素研究发现，Hf因其含量较低，其提取相对于Sr-Nd要更小心，因其含量较低，因此提取不完全可能导致测试结果无效或精度较低，对于后期现象的解释可能也不具地质意义。因此，在Lu-Hf分离过程中应当细心。此外，Hf的样品测试过程中，同一溶液，即使是标样每次测定的值也有可能有较大变化，因此应注意重复样和多个标样的测定。就Hf同位素的溶液测试法而言，当加入稀释剂后，由于所测样品中原有的同位素丰度关系发生变化，需要对获得的数据进行一定的校正，但对采用何种校正公式，目前并无定论。

总而言之，全岩Hf同位素研究随着测试技术的不断进步，其应用必将有更加广泛的前景，然而，相对于国外已开展的大量研究来讲，国内对于全岩Hf同位素的报道较少。前些年主要受制于测试仪器等限制，目前Hf同位素已引起关注，将为解决全球地球动力学及我国地质演化中的若干关键问题提供重要的资料。

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1004-1184(2016)06-0035-04

2016-05-23

戴梦宁(1983-)，女，浙江宁波人，工程师，主要从事同位素地球化学研究。