bài giảng thạch luận các đá magma chương 10 đồng vị (isotopes)

Đồng vị bền Stable IsotopesBền: Không thay đổi theo thời gian Không phân dị về mặt hóa học Chỉ phân dị về khối lượng... Giá trị δ của nước khí tượng là bao nhiêu?Nước biển bốc hơi → hơi

Chương 10 Đồng vị (Isotopes)

Có cùng số thứ tự Z (số proton), nhưng khác nhau

về khối lượng nguyên tử A (số lượng neutron khác nhau)

Đồng vị bền (Stable Isotopes)

Bền: Không thay đổi theo thời gian

Không phân dị về mặt hóa học

Chỉ phân dị về khối lượng

Ví dụ: Đồng vị Oxy

Hàm lượng đồng vị oxy được sử dụng trong chuẩn hóa quốc tế là:

Nước đại dương trung bình chuẩn hóa = standard

mean ocean water (SMOW)

16O 99.756% trong oxy tự nhiên

18O 0.205% “

18O và 16O là các đồng vị thường được sử dụng và tỷ lệ của chúng ký hiệu δ :

Giá trị δ của SMOW là bao nhiêu??

Giá trị δ của nước khí tượng là bao nhiêu?

Giá trị δ của nước khí tượng là bao nhiêu?

Nước biển bốc hơi → hơi nước (mây)

Các đồng vị nhẹ được làm giàu trong hơi nước hơn là chất lỏng

Được sử dụng rất hữu hiệu vì khác biệt khối lượng ∆ = 1/8 tổng khối lượng

Hình 9-9 Tương quan giữa d( 18 O/ 16 O) và nhiệt độ trung bình năm đối với nước khí tượng, theo Dansgaard (1964). Tellus, 16, 436-468

Đồng vị O và H – nước có nguồn gốc trẻ ><

nước khí tượng >< nước biển

δ18O đối với các đá nguồn gốc manti ≠ các đá

trầm tích hình thành do các quá trình trên mặt:

đánh giá sự hỗn nhiễm của các đá magma

nguồn manti gây ra bởi các trầm tích nguồn gốc vỏ

Các đồng vị bền được sử dụng hữu hiệu trong

đánh giá sự tham gia của các nguồn chứa khác nhau, với các đặc trưng đồng vị khác nhau

Đồng vị phóng xạ (Radioactive

Isotopes)

Các đồng vị không bền vững phân rã thành các hạt nhân khác

Tốc độ phân rã là hằng số, không phụ thuộc vào các điều kiện P, T, X…

Nuclide mẹ = nuclide phóng xạ, phân rã

Các nuclide con là các sản phẩm nguyên tử phóng xạ

Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:

1 Phân dị khối lượng (Mass fractionation –

thường cho các đồng vị bền)

Chỉ ảnh hưởng đến các đồng vị nhẹ: H He C O S

Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:

1 Phân dị khối lượng (Mass fractionation –

thường cho các đồng vị bền)

2 Các đồng vị con được tạo ra các thay đổi trước

đó liên quan tới phân dị hóa học

học)

Rhyolite chứa nhiều K hơn basalt

basalt

Các biến đổi về đồng vị giữa các đá do:

1 Phân dị khối lượng (Mass fractionation –

thường cho các đồng vị bền)

2 Các đồng vị con được tạo ra các thay đổi trước

đó liên quan tới phân dị hóa học

3 Thời gian

biệt về đồng vì giữa basalt và rhyolite càng lớn

Isotopic variations between rocks, etc due to:

1 Mass fractionation (as for stable isotopes)

2 Daughters produced in varying proportions

resulting from previous event of chemical

fractionation

3 Time

the difference between the basalt and rhyolite will be

Chu kỳ phân rã (hay bán rã)

D = Neλ t - N = N(eλ t -1)

→ Tuổi của mẫu (t) nếu ta biết:

D số lượng của các nuclide được tạo ra

N Số lượng của các nuclide ban đầu còn lại

Hạn chế của phương pháp:

Các đá trẻ: khó xác định số lượng chính xác của các nuclide con

Các đá rất cổ: không xác định số lượng chính xác các nuclide ban đầu còn lại

Độ chính xác phụ thuộc vào hằng số phân rã Lambda

Làm thế nào để phân biệt được các đồng vị con được tạo

ra do phân rã và các đồng vị bền sẵn có trong đá?

Công thức phân rã :

40Ar = 40Aro + 40K(e- λ t -1)

Trong đó λe = 0.581 x 10-10 a-1 (các proton bị giữ lại)

Nhiệt độ đóng đối với các khoáng vật khác nhau

Phương pháp 40Ar-39Ar phát triển từ các phát hiện này

Hệ đồng vị Sr-Rb

• 87Rb → 87Sr + β (λ = 1.42 x 10-11 a-1)

• Hành vi của Rb giống K → micas và feldspar kiềm

• Hành vi của Sr giống Ca → plagioclase và apatite

(không giống Ca trong clinopyroxene)

• 88Sr : 87Sr : 86Sr : 84Sr = 10 : 0.7 : 1 : 0.07

• 86Sr là đồng vị bền, và không phải là sản phẩm của bất

cứ phân rã nào

Phương pháp đẳng thời ( Isochron

Hình 9-3 Thay đổi về hàm lượng của Rb and Sr

trong dung thể nóng chảy hoàn toàn của đá

basalt có plagioclase, augite, và olivine Winter

(2001) An Introduction to Igneous and

Metamorphic Petrology Prentice Hall.

Phương pháp đẳng thời ( Isochron

Đối với các giá trị λt nhỏ hơn 0.1: eλ t-1 ≅ λt

Do vậy biểu đồ trên đối với t < 70 Ga (!!) có thể suy ra:

87Sr/86Sr = (87Sr/86Sr)o + (87Rb/86Sr)λt

y = b + x m

= biểu đồ tuyến tính của 87Sr/86Sr vs 87Rb/86Sr

Công thức tính tuổi có thể khai triển bằng cách chia

cho số lượng đồng vị 86Sr

87Sr/86Sr = (87Sr/86Sr)o + (87Rb/86Sr)(eλ t -1)

λ = 1.4 x 10-11 a-1

Sau một khoảng thời gian (t0 →t1) mỗi mẫu mất một lượng 87Rb và tăng một lượng 87Sr

Tại thời điểm t2 các đá lại biến đổi tạo thành một

đường đẳng thời mới tuyến tính và dốc hơn

Đường đẳng thời cung cấp cho ta hai điểm quan trọng:

1 Tuổi của đá (từ công thức slope = λt)

2 (87Sr/86Sr)o = giá trị 87Sr/86Sr ban đầu

Hình 9-9 Đưởng đẳng thời Rb-Sr của xâm nhập Eagle Peak , central Sierra Nevada Batholith, California, USA Chấm vàng

là các đá, chấm đỏ là đơn khoáng hornblende Công thức của đường đẳng thời cho thấy t= slope/lambda =

0.00127/1.4E-11 = 90.7 Tr.năm After Hill et al (1988) Amer J Sci., 288-A, 213-241

Hình 9-13 Đường tiến hóa đồng vị Rb và Sr của manti trên, với giả thiết quá trình nóng chảy tạo ra vỏ lục địa tại 3

tỷ năm, theo Wilson (1989) Igneous Petrogenesis Unwin Hyman/Kluwer.

Vỏ có tỷ lệ Rb/Sr cao hơn nên đường tiến hóa dốc hơn

Manti nghèo Rb, nên tỷ lệ Rb/Sr nhỏ hơn và đường tiến hóa thoải hơn

Vỏ có tỷ lệ Rb/Sr cao hơn nên đường tiến hóa dốc hơn

Manti nghèo Rb, nên tỷ lệ Rb/Sr nhỏ hơn và đường tiến hóa thoải hơn

Hệ đồng vị Sm-Nd

Cả hai nguyên tố Sm and Nd là đất hiếm nhẹ LREE

Các nguyên tố không tương thích nên có xu hướng tập trung trong dung thể

Sm

trong các hợp phần nóng chảy và các dung thể phân dị kết tinh muộn , Sm/Nd thấp hơn so với nguồn,

Đường tiến hóa ngược so với Rb - Sr

Hình 9-15 Tiến hóa đồng vị Nd của manti trên tại 3 tỷ năm, theo Wilson (1989) Igneous Petrogenesis Unwin Hyman/Kluwer.

Figure 9-16a Biểu đồ Concordia của tiến hóa đồng vị Chì từ 2.5 tỷ

năm với quá trình phân rã đồng vị chì đơn giản , theo Faure

(1986) Principles of Isotope Geology 2nd, ed John Wiley & Sons

New York

Hệ đồng vị U-Pb-Th

Discordia = mất đi của cả

206Pb and 207Pb do biến đổi

nhiệt (biến chất) sau khi

kết tinh

Hệ đồng vị U-Pb-Th

Biểu đồ Concordia sau 3.5 Ga tiến hóa

Figure 9-16a Concordia diagram illustrating the Pb isotopic development of a 3.5 Ga old rock with a single episode of Pb loss After Faure (1986) Principles of Isotope Geology 2nd, ed John Wiley & Sons New York

3.5 Ga = Tuổi kết tinh 1.0 Ga = Tuổi biến chất