サマリウム-ネオジム年代測定

サマリウム-ネオジム年代測定法は、長寿命のサマリウム同位体（ ¹⁴⁷
Sm ) を安定放射性 ネオジム同位体 (¹⁴³
ネオジム同位体比は、サマリウム-ネオジム比とともに、火成溶融物の年代と起源に関する情報を提供するために使用されます。地殻物質がマントルから形成された瞬間のネオジム同位体比は、このイベントが発生した時間のみに依存しますが、その後は地殻物質中のサマリウムとネオジムの新しい比率に依存して変化し、マントル物質の比率とは異なります。サマリウム-ネオジム年代測定により、地殻物質が形成された時期を判定できます。

Sm-Nd年代測定の有用性は、これら2つの元素が希土類元素であり、したがって理論的には堆積作用および続成作用中に特に分離の影響を受けにくいという事実に由来する。^[1] 珪長質鉱物の分別結晶化により、結果として生じる物質のSm/Nd比が変化する。これは、今度は放射性¹⁴³ Ndの生成による¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd比の増加率に影響を与える。

多くの場合、Sm-Nd 同位体データとRb-Sr同位体データが一緒に使用されます。

サマリウムには7つの天然同位体があり、ネオジムにも7つの同位体がある。この2つの元素は、親元素¹⁴⁷ Smが放射性娘元素¹⁴³ Ndにアルファ崩壊することで親娘関係にあり、半減期は1.066(5) × 10である。^{11年で消滅し、 146} Sm（半減期9.20(26) × 10ほぼ絶滅した放射性核種）のアルファ崩壊によっても消滅する。¹⁴² Ndを生産するのに⁷年^{[2] [a]}かかりました。

岩石（または岩石群）が形成された年代を知るには、アイソクロン年代測定法を使用することができる。^[6] Sm-Ndアイソクロンは、放射性同位体¹⁴³ Ndと非放射性同位体^{144 Ndの比率を、親同位体147} Smと非放射性同位体¹⁴⁴ Ndの比率に対してプロットする。144 Nd^{は準安定（半減期は2.29(16)} × 10）であるため、アイソクロンにおける放射性同位体を正規化するために使用される。¹⁵年）であり、比較的豊富なネオジム同位体です。

Sm-Ndアイソクロンは、次の式で定義されます。

${\displaystyle \left({\frac {{}^{143}\mathrm {Nd} }{{}^{144}\mathrm {Nd} }}\right)_{\mathrm {プレゼント} }=\left ({\frac {{}^{143}\mathrm {Nd} }{{}^{144}\mathrm {Nd} }}\right)_{\mathrm {initial} }+\left({\frac {{}^{147}\mathrm {Sm} }{{}^{144}\mathrm {Nd} }}\right) \cdot (e^{\lambda t}-1),}$

どこ：

tはサンプルの年齢、

^λは147 Smの崩壊定数であり、

( e ^{λ t} −1) は等時線の傾きであり、システムの年齢を定義します。

あるいは、マントル物質から形成された物質がコンドライトと同じ比率の進化の道をたどったと仮定し、その場合も形成時期を計算することができる（CHURモデルを参照）。^{[6] [1]}

ケイ酸塩鉱物中の Sm と Nd の濃度は、ボーエンの反応系列に従ってマグマから結晶化する順序とともに増加します。サマリウムは苦鉄質鉱物に容易に取り込まれるため、苦鉄質鉱物を結晶化する苦鉄質岩石は、溶融相でサマリウムに比べてネオジムを濃縮します。したがって、溶融物が苦鉄質組成からより珪長質な組成へと分別結晶化すると、Sm と Nd の存在量が変化し、Sm と Nd の比率も変化します。

したがって、超塩基性岩はSm が高く Nd が低いため、Sm/Nd 比が高くなります。珪長質岩は Sm の濃度が低く Nd が高いため、 Sm/Nd 比が低くなります(たとえば、コマチアイトはNd が 1.14 ppm、Sm が 3.59 ppm であるのに対し、流紋岩は Nd が 4.65 ppm、Sm が 21.6 ppm です)。

このプロセスの重要性は、大陸地殻の形成年代をモデル化する上で明らかです。

ネオジムの同位体組成の分析を通じて、デパオロとワッサーバーグ（1976 ^[6]）は、溶融物から形成された当時の地球の火成岩が「コンドライト均一リザーバー」または「コンドライト非分画リザーバー」（CHUR）ライン、つまりコンドライト中の¹⁴³ Nd: ¹⁴⁴ Nd 比が時間とともに増加する様子に密接に従っていたことを発見しました。コンドライト隕石は、惑星が形成される前に太陽系で形成された最も古い（分類されていない）物質であると考えられています。それらは比較的均一な微量元素シグネチャを持っているため、その同位体進化は太陽系全体と「地球全体」の進化をモデル化することができます。 DePaolo と Wasserburg は、陸上火成岩の年代と初期の¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd 比を Nd 進化対時間図にプロットした後、始生代の岩石の初期の Nd 同位体比は CHUR 進化ラインで定義されたものと非常に類似していることを突き止めました。

¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ NdのCHUR進化ラインからの逸脱は非常に小さいため、デパオ​​ロとワッサーバーグは、¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ NdをCHUR進化ラインからの逸脱で記述する表記法を作成することが有用であると主張した。これはイプシロン表記法と呼ばれ、1イプシロン単位はCHUR組成からの10,000分の1の逸脱を表す。^[7]代数的には、イプシロン単位は次の式で定義できる。

${\displaystyle \varepsilon _{{\text{Nd}}(t)}=\left[{\frac {\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{{\text{sample}}(t)}}{\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{{\text{CHUR}}(t)}}}-1\right]\times 10\,000.}$

イプシロン単位はより細かく、したがって初期のNd同位体比をより具体的に表現するため、初期の同位体比の代わりにイプシロン単位を使用すると、異なる年代の地殻の初期比を理解して比較することが容易になります。さらに、イプシロン単位は初期比をCHURに正規化し、適用されるさまざまな分析質量分率補正方法によって引き起こされる影響を排除します。^[7]

CHUR は大陸岩の初期比率を時間とともに定義するため、CHUR を使用して¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd および¹⁴⁷ Sm/ ^{144 Nd を測定すると、地殻岩石を形成した溶融物のマントルからの分離のモデル年代を生成できると推測されました。これは}T _CHURと呼ばれています。^[1] T _CHUR年代を計算する には、大陸岩を生成するためにマントルからマグマを抽出する際に Nd / Sm 間の分別が発生している必要があります。この分別により、地殻とマントルの同位体進化線の間に偏差が生じます。これら 2 つの進化線の交点が地殻形成年代を示します。T _CHUR年代は、次の式で定義されます。

${\displaystyle T_{\text{CHUR}}=\left({\frac {1}{\lambda }}\right)\ln \left[1+{\frac {\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{sample}}-\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{CHUR}}}{\left({\frac {^{147}{\text{Sm}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{sample}}-\left({\frac {^{147}{\text{Sm}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{CHUR}}}}\right].}$

岩石のT _{CHUR年代は、サンプルが形成後に乱れを受けていない場合は、地殻全体の形成年代を導き出すことができます。Sm/Nd}は希土類元素 (REE) であるため、その特性により、岩石の変成作用および溶融中に、岩石の不動比が分割されにくくなります。そのため、サンプルがどのような変成作用を受けたかに関係なく、地殻の形成年代を計算できます。

始生代の深成岩がCHUR Nd同位体進化ラインによく適合しているにもかかわらず、DePaoloとWasserburg (1976)は、若い海洋火山岩（中央海嶺玄武岩と島弧玄武岩）の大部分がCHURラインより+7～+12ɛ単位上にあることを観察しました（図を参照）。これにより、CHURラインの誤差内にプロットされた始生代の大陸火成岩は、時間の経過と共にSm/Nd比と¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd比が増加することを特徴とする枯渇マントル進化ライン上にある可能性があるという認識に至りました。始生代のCHURデータと若い火山サンプル間のこのギャップをさらに分析するために、コロラドフロントレンジの原生代変成基盤岩（アイダホスプリングス層）に関する研究が行われました。^[8]分析されたサンプルの初期の¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd比は、図に示されているɛNd対時間図にプロットされています。DePaolo（1981）は、アイダホスプリングスと現代の海洋島弧データの平均ɛNdに二次曲線を当てはめ、枯渇した貯留層のネオジム同位体の進化を表現しました。時間TにおけるCHUR進化線に対する枯渇した貯留層の組成は、次の式で与えられます。

${\displaystyle \varepsilon Nd(\mathbf {T} )=0.25\mathbf {T} ^{2}-3\mathbf {T} +8.5}$。

この曲線を使用して計算された Sm-Nd モデル年代は、TDM 年代として示されます。DePaolo (1981) は、これらの TDM モデル年代は、TCHUR モデル年代よりも正確な地殻形成年代をもたらすと主張しました。たとえば、McCulloch と Wasserburg の Grenville 合成からの異常に低い 0.8  Gyの TCHUR モデル年代は、 Grenville 造山運動中の若年地殻形成に典型的な 1.3 Gy の TDM 年代に修正されました。

• 放射年代測定

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