南京大學(xué)同位素地質(zhì)學(xué)-14Os同位素演化-Os同位素地球化學(xué)

1、14 Os14 Os同位素演化同位素演化/Os/Os同位素地球化學(xué)同位素地球化學(xué)14.1 地球鋨同位素組成的原始值地球鋨同位素組成的原始值研究鋨同位素組成在地幔中的演化，首先要研究鋨同位素組成在地幔中的演化，首先要知道地球形成時鋨同位素的組成。如同知道地球形成時鋨同位素的組成。如同Sr-Nd-Pb同位素在地球中的原始值是從測量適同位素在地球中的原始值是從測量適當?shù)碾E百中相應(yīng)的同位素組成獲得的那樣，當?shù)碾E百中相應(yīng)的同位素組成獲得的那樣，地球的地球的Os同位素組成的原始值也是從隕石研同位素組成的原始值也是從隕石研究中獲得的。究中獲得的。Luck等等(1980)首先采用首先采用SIMS方法研究了方法

2、研究了5個個不同類型的鐵隕石，包括不同類型的鐵隕石，包括1個球粒隕石個球粒隕石金屬相的金屬相的Re-Os同位素體系，獲得同位素體系，獲得Re-Os同位素等時線，同位素等時線，得出初始值得出初始值187Os/186Os=0.8050.011Luck等等(1980)：T= 4.55Ga, 187Os/186Os=0.8050.011后來增加了后來增加了2個鐵隕石、個鐵隕石、1個中鐵隕石和個中鐵隕石和9個個不同類型的球粒隕石不同類型的球粒隕石，由上述由上述10個球粒隕石的個球粒隕石的金屬相，獲得金屬相，獲得Re-Os同位素等時線，得出初始同位素等時線，得出初始值值187Os/186Os=0.8000

3、.024由上述由上述7個鐵隕個鐵隕石和石和1個中鐵隕石，獲得個中鐵隕石，獲得Re-O s 同 位 素 等 時 線 ， 得 出 初 始 值同 位 素 等 時 線 ， 得 出 初 始 值187Os/186Os=0.8070.006由上述全部隕石獲得由上述全部隕石獲得Re-Os同位素等時線，同位素等時線，得出初始值得出初始值187Os/186Os=0.8050.006 (Luck & Allegre,1983)。Walker & Morgan(1989)研究了碳質(zhì)球粒隕石研究了碳質(zhì)球粒隕石的的Re-Os同位素體系，由同位素體系，由7個不同類型的碳質(zhì)球個不同類型的碳質(zhì)球粒隕石得到的粒隕

4、石得到的Re-Os同位素等時線，與鐵隕石同位素等時線，與鐵隕石的等時線的等時線(Luck et al, 1980; Luck & Allegre, 1983)，基本上是一致的，得初始值，基本上是一致的，得初始值:187Os/186Os=0.8020.049因此，地球原始值在此值附近因此，地球原始值在此值附近14.2 地幔鋨同位素組成的演化地幔鋨同位素組成的演化（1）現(xiàn)代地幔和隕石的）現(xiàn)代地幔和隕石的Re/Os比值比值地外物質(zhì)包括球粒隕石及其分異的鐵隕石、玄武質(zhì)無球粒隕石(BAC)和月巖;Os的豐度變化范圍很大(10-1210-4)，但是它們的Re/Os值幾乎穩(wěn)定在0.1隕石而地球物質(zhì)和

5、火星隕石而地球物質(zhì)和火星隕石(SNC)中中Os的豐度較低的豐度較低(為為10-1210-9)，變化范圍小于地外物質(zhì)，但是它們的，變化范圍小于地外物質(zhì)，但是它們的 Re/Os值值變化很大（達變化很大（達4個數(shù)量級：個數(shù)量級：0.01100)，并且它們的，并且它們的Re-Os豐度呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)性，與地外物質(zhì)有顯著差異。豐度呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)性，與地外物質(zhì)有顯著差異。隕石在海島玄武巖在海島玄武巖(OIB)、洋中脊、洋中脊玄武巖玄武巖(MORB)和科馬提巖中和科馬提巖中Re的豐度大于的豐度大于Os.而在幔源橄欖巖而在幔源橄欖巖包體中包體中Os的豐度的豐度大于大于Re。（2） 地幔鋨同位素演化地幔鋨同位

6、素演化鋨銥礦中鋨銥礦中Os含量高而不含含量高而不含Re，因而其現(xiàn)代鋨，因而其現(xiàn)代鋨同位素組成即為樣品形成時的初始值；而且鋨同位素組成即為樣品形成時的初始值；而且鋨銥礦的幔源成因，銥礦的幔源成因，因此，因此，Allegre and Luck(1980)采用已知年齡采用已知年齡的不同時代鋨銥礦的鋨同位素組成代表鋨銥礦的不同時代鋨銥礦的鋨同位素組成代表鋨銥礦形成時地幔的鋨同位素組成，從而研究地幔中形成時地幔的鋨同位素組成，從而研究地幔中鋨同位素組成的演化。鋨同位素組成的演化。Allegre & Luck(1980)研究的鋨銥礦樣品采自研究的鋨銥礦樣品采自:南非的南非的Witwatersran

7、d (2700Ma)澳大利亞的澳大利亞的Tasmania (630Ma)和和Waratah Bay (430550Ma)前蘇聯(lián)的前蘇聯(lián)的Urals(240Ma)和哥倫比亞和哥倫比亞(90Ma)這些樣品的這些樣品的187Os/186Os測測量值與鐵隕石的初始值量值與鐵隕石的初始值(0.805)構(gòu)成一條直線構(gòu)成一條直線(圖圖4.3)，它代表了地幔中鋨，它代表了地幔中鋨同位素組成演化的模式。同位素組成演化的模式。據(jù)此，獲得地幔現(xiàn)在值據(jù)此，獲得地?，F(xiàn)在值:187Os/186Os=1.04 187Os/188Os= 0.11187Re/186Os = 3.15 (l l=1.611011a1)由此獲得的

8、地幔由此獲得的地幔 187Re/186Os = 3.15與許多隕石的值（與許多隕石的值（3.13.3）是一致的，如：）是一致的，如：C1、C2、H、L、E球粒隕石球粒隕石Angra dos Reis無球粒隕石無球粒隕石鐵隕石鐵隕石（見下述）（見下述） Walker & Morgan (1989)研究的研究的6個個碳質(zhì)球碳質(zhì)球粒隕石的粒隕石的 187Re/186Os = 3.03.5，與地幔值，與地幔值一致，表明地幔的鋨同位素演化具有球粒隕一致，表明地幔的鋨同位素演化具有球粒隕石的性質(zhì)。石的性質(zhì)。 Morgan (1985)研究了不同類型的球粒隕石研究了不同類型的球粒隕石的的Os/Re值

9、，認為地幔的值，認為地幔的Os/Re值與值與C3O、C3V、E4、E5、E6族球粒隕石族球粒隕石的相同，為的相同，為Os/Re=11.8，相當于，相當于187Re/186Os=3.39。為了檢驗地幔的鋨同位素組成的演化，對于太為了檢驗地幔的鋨同位素組成的演化，對于太古宙綠巖帶中的基性巖、超基性巖、科馬提巖，古宙綠巖帶中的基性巖、超基性巖、科馬提巖，元古宙和顯生宙的蛇綠巖等幔源地質(zhì)樣品，進元古宙和顯生宙的蛇綠巖等幔源地質(zhì)樣品，進行廣泛的行廣泛的Re-Os同位素體系研究，同位素體系研究，結(jié)果表明地結(jié)果表明地幔中鋨同位素演化具球粒隕石的特征幔中鋨同位素演化具球粒隕石的特征Walker等等(1988)

10、從加拿大從加拿大Ontario省省Munro Township太古代科太古代科馬提巖馬提巖12個樣品得到個樣品得到Re-Os等等時線年齡時線年齡2.650.09Ga（與（與U-Pb鋯石年齡鋯石年齡2.70Ga相一致）相一致）初始值初始值187Os/186Os = 0.873 0.035, 落在球粒隕石地幔演落在球粒隕石地幔演化線上，對太古宙地幔鋨同位化線上，對太古宙地幔鋨同位素演化提供了有力的制約。素演化提供了有力的制約。Evolution of the 187Os/186Os ratio of the mantle from osmiridiums associated with ultra

11、basic rocks. Allegre and Luck (1980).對顯生宙蛇綠巖中純橄欖巖和對顯生宙蛇綠巖中純橄欖巖和方輝橄欖巖方輝橄欖巖Re-Os同位素研究同位素研究得到得到187Os/186Os初始值：初始值：120Ma的的Oman：1.050220Ma的的Toba(日本日本)：1.029都落在球粒隕石地幔演化線上，都落在球粒隕石地幔演化線上，表明顯生宙地幔的鋨同位素組表明顯生宙地幔的鋨同位素組成也符合球粒隕石演化。成也符合球粒隕石演化。澳大利亞西部晚太古代綠巖地體中有大量的科馬澳大利亞西部晚太古代綠巖地體中有大量的科馬提巖賦存富提巖賦存富Ni-Cu-PGE的硫化物礦床。的硫化物礦

12、床。Forster等等(1996)對該地三個礦區(qū)采集的對該地三個礦區(qū)采集的20多個硫化物礦多個硫化物礦石和科馬提巖樣品作石和科馬提巖樣品作Re-Os同位素體系研究：同位素體系研究：其中其中13個含礦巖漿硫化物樣品和非礦化的科馬提個含礦巖漿硫化物樣品和非礦化的科馬提巖巖Re-Os同位素等時線年齡為同位素等時線年齡為270636Ma（與（與U - P b 鋯 石 年 齡 一 致 ） ， 初 始 值鋯 石 年 齡 一 致 ） ， 初 始 值187Os/188Os=0.10889 0.00035，說明太古宙地，說明太古宙地幔中鋨同位素組成也具球粒隕石演化特征。幔中鋨同位素組成也具球粒隕石演化特征。Wa

13、lker等等(1996)從芬蘭東部古元古代從芬蘭東部古元古代(1.97Ga) 蛇 綠 巖 中 的 單 礦 物 獲 得 初 始 值蛇 綠 巖 中 的 單 礦 物 獲 得 初 始 值187Os/188Os=0.11395，說明古元古代地幔的鋨，說明古元古代地幔的鋨同位素組成也具有球粒隕石演化特征。同位素組成也具有球粒隕石演化特征。(a)從超基性巖銥鋨礦獲得的地幔187Os/186Os 演化 (b) 陸殼和地幔演化 ( Allegre and Luck 1980)對比 對于地幔中親鐵元素對于地幔中親鐵元素Re-Os同位素體系具有球同位素體系具有球粒隕石型的演化特征，迫使人們思考核粒隕石型的演化特征，

14、迫使人們思考核-幔和殼幔和殼-幔相互作用對幔相互作用對Re-Os同位素體系的影響。同位素體系的影響。01234-6-4-20246810 Ndt (Ga)鎂鐵質(zhì)巖鎂鐵質(zhì)和硅鋁質(zhì)巖MORBIOACHURDMDM對比：親石元素對比：親石元素Sm-Nd同位素體系，虧損地幔同位素體系，虧損地幔與球粒隕石的與球粒隕石的Nd同位素同位素演化是不同的演化是不同的.地幔和隕石的地幔和隕石的187Re/186Os3.15球粒隕石球粒隕石14.3 核核幔分異對地幔鋨同位素演化的影響幔分異對地幔鋨同位素演化的影響Re、Os元素的親鐵性，在地球增生后的核元素的親鐵性，在地球增生后的核-幔分異過幔分異過程中，與親石元素

15、相反，它們優(yōu)先迸入地核。但程中，與親石元素相反，它們優(yōu)先迸入地核。但兩者兩者親鐵性強度有差異親鐵性強度有差異。那么，為什么地幔硅酸鹽部分的那么，為什么地幔硅酸鹽部分的Re-Os同位素組成，同位素組成，也具有隕石性質(zhì)呢？難道也具有隕石性質(zhì)呢？難道Re、Os元素的親鐵性強度一元素的親鐵性強度一樣？樣？比較：整體地球比較：整體地球Sm-Nd、Lu-Hf同位素體系具有球粒隕同位素體系具有球粒隕石性質(zhì)石性質(zhì)(基本上是一個假定，基礎(chǔ)是最早期巖石的初始基本上是一個假定，基礎(chǔ)是最早期巖石的初始同位素比值與球粒隕石接近或位于球粒隕石演化線上同位素比值與球粒隕石接近或位于球粒隕石演化線上)； 而地幔相對于整體地球

16、是虧損的。而地幔相對于整體地球是虧損的。Re-Os等高度親鐵元素在地幔中的豐度，被認等高度親鐵元素在地幔中的豐度，被認為直接與地球形成過程有關(guān)。為直接與地球形成過程有關(guān)。地球形成過程的兩種模式地球形成過程的兩種模式 (Newsom & Jones,1989) ： 均勻吸積模式均勻吸積模式: 地球是由成分基本不變的物質(zhì)地球是由成分基本不變的物質(zhì)不斷吸積增生，然后由單階段分異過程，形成不斷吸積增生，然后由單階段分異過程，形成地核和地幔。地核和地幔。不均勻吸積模式不均勻吸積模式: 地球是由多階段不均勻的復(fù)地球是由多階段不均勻的復(fù)雜的吸積增生過程形成的。雜的吸積增生過程形成的。均勻吸積模式均勻

17、吸積模式不均勻吸積模式不均勻吸積模式地幔中親鐵元素的豐度特征，地幔中親鐵元素的豐度特征，Morgan (1985)提出提出不不均勻吸積均勻吸積模式：模式： 地球質(zhì)量的地球質(zhì)量的93%是在還原條件下由原始球粒隕石是在還原條件下由原始球粒隕石物質(zhì)吸積而成的。在此階段親鐵元素幾乎全部進入富物質(zhì)吸積而成的。在此階段親鐵元素幾乎全部進入富鐵金屬相，分凝成原始的地核。鐵金屬相，分凝成原始的地核。然后，約有然后，約有7%7%的地球質(zhì)量物質(zhì)在更加氧化條件下加入，的地球質(zhì)量物質(zhì)在更加氧化條件下加入，造成現(xiàn)在上地幔的高氧化狀態(tài)和揮發(fā)性元素的分布。在這造成現(xiàn)在上地幔的高氧化狀態(tài)和揮發(fā)性元素的分布。在這一階段中，地幔

18、重新富集了親鐵元素，但高度親鐵元素被一階段中，地幔重新富集了親鐵元素，但高度親鐵元素被分凝到地核，而中等親鐵元素留在硅酸鹽地幔中；分凝到地核，而中等親鐵元素留在硅酸鹽地幔中；最后，少于最后，少于1%1%地球質(zhì)量的更加氧化和虧損揮發(fā)性元素的地球質(zhì)量的更加氧化和虧損揮發(fā)性元素的物質(zhì)加入，使得高度親鐵元素達到現(xiàn)在地幔的豐度和球粒物質(zhì)加入，使得高度親鐵元素達到現(xiàn)在地幔的豐度和球粒隕石的相對比值。隕石的相對比值。這種不均勻吸積模式可以解釋地球中親鐵元素這種不均勻吸積模式可以解釋地球中親鐵元素的分布特征，但是沒有合適的模式可以解釋地的分布特征，但是沒有合適的模式可以解釋地球吸積增生三階段中所需的太陽星云物

19、質(zhì)的成球吸積增生三階段中所需的太陽星云物質(zhì)的成因因(Walter,1997)。近年來，高溫高壓下不同熔體間元素分配實驗：近年來，高溫高壓下不同熔體間元素分配實驗：中等親鐵元素（中等親鐵元素（P、Fe、W、Co、Ag、Ni、Sb、As、Ge、M）高度親鐵元素（如高度親鐵元素（如Os、Re、lr、Ru、Pt、Rh、Au、Pd）在鐵合金熔體和硅酸鹽熔體間分配系數(shù)測定結(jié)果在鐵合金熔體和硅酸鹽熔體間分配系數(shù)測定結(jié)果 (Li & Agee,1996; Righter et al.,1997; Righter & Drake，1997)，暗示在很，暗示在很高的壓力下元素高的壓力下元素Re、O

20、s可能具有相同的分配系數(shù)可能具有相同的分配系數(shù)(Walter,1997)，支持地球形成過程的支持地球形成過程的均勻吸積均勻吸積增生模式增生模式。分配系數(shù)測定結(jié)果分配系數(shù)測定結(jié)果 ：元素元素Ni和和Co的分配系數(shù)在常壓下相差的分配系數(shù)在常壓下相差5倍，但隨著倍，但隨著壓力增加壓力增加 差異減小，在差異減小，在28GPa下兩者相等下兩者相等(Li & Agee,1996)元素元素Re、lr、Au、Pd在常壓下的分配系數(shù)差異很大，在常壓下的分配系數(shù)差異很大，但但Re在高壓與常壓下的分配系數(shù)相差很大在高壓與常壓下的分配系數(shù)相差很大(Righter & Drake,1997)，預(yù)計在更高

21、壓力下高度親鐵元素，預(yù)計在更高壓力下高度親鐵元素Re、Os可能具有相同的分配系數(shù)可能具有相同的分配系數(shù)(Walter,1997)。根據(jù)這些實驗結(jié)果可以預(yù)見，形成地球的原始物根據(jù)這些實驗結(jié)果可以預(yù)見，形成地球的原始物質(zhì)中質(zhì)中Ni/Co、Re/Os具有球粒隕石的比值，在核具有球粒隕石的比值，在核-幔分異時的深巖漿海條件下幔分異時的深巖漿海條件下(如溫度為如溫度為2200K、壓力為壓力為28GP, Li & Agee,1996)，核、幔的，核、幔的Ni/Co（及（及Re/Os）比值仍為球粒隕石型的，從而殘余）比值仍為球粒隕石型的，從而殘余地幔中鋨同位素組成的演化與球粒隕石相同地幔中鋨同位素組

22、成的演化與球粒隕石相同.因此支持均勻吸積增生模式，即地球的形成是因此支持均勻吸積增生模式，即地球的形成是一步到位的一步到位的(Walter,1997)。強烈親鐵元素。強烈親鐵元素Re-Os在在地核地核-地幔分異過程中沒有明顯的分餾，即地幔分異過程中沒有明顯的分餾，即Re/Os比值沒有改變，因此沒有影響它們在地比值沒有改變，因此沒有影響它們在地幔中的演化性質(zhì)。幔中的演化性質(zhì)。該推論還有待高壓下強烈親鐵元素該推論還有待高壓下強烈親鐵元素Os的分配系的分配系數(shù)實驗測定證實！數(shù)實驗測定證實！14.4 殼殼-幔分異和地殼物質(zhì)再循環(huán)對地幔鋨同幔分異和地殼物質(zhì)再循環(huán)對地幔鋨同位素演化的影響位素演化的影響Re

23、-Os元素在地殼元素在地殼-地幔分異過程中產(chǎn)生明顯的地幔分異過程中產(chǎn)生明顯的分異，地殼巖石的分異，地殼巖石的Re/Os值明顯大于地幔。如值明顯大于地幔。如采用富集系數(shù)采用富集系數(shù)f=(Re/Os)rock/(Re/Os)mantle概念：概念：拉斑玄武巖拉斑玄武巖 f300花崗巖花崗巖 f100 (Allegre & Luck, 1980)由于從地幔分異出來的地殼物質(zhì)的由于從地幔分異出來的地殼物質(zhì)的Re/Os值明顯大值明顯大于地幔，隨時間的演化，地殼物質(zhì)放射成因的于地幔，隨時間的演化，地殼物質(zhì)放射成因的187Os增加，其增加，其187Os/188Os值高于地幔物質(zhì)。值高于地幔物質(zhì)。殼源

24、物質(zhì)由俯沖再循環(huán)作用而返回地幔，將放射成殼源物質(zhì)由俯沖再循環(huán)作用而返回地幔，將放射成因鋨同位素帶入地幔。因鋨同位素帶入地幔。那么，殼那么，殼-幔分異和地殼再循環(huán)對地幔鋨同位素組幔分異和地殼再循環(huán)對地幔鋨同位素組成的演化影響如何成的演化影響如何?盡管目前各種地球物質(zhì)的精確盡管目前各種地球物質(zhì)的精確Re-Os豐度數(shù)據(jù)積豐度數(shù)據(jù)積累不多，但從累不多，但從Re-Os地球化學(xué)性質(zhì)可以預(yù)見，在地球化學(xué)性質(zhì)可以預(yù)見，在殼殼-幔分異作用中：幔分異作用中：Os是殘留在地幔的相容元素，在分異出來的地是殘留在地幔的相容元素，在分異出來的地殼物質(zhì)中，元素殼物質(zhì)中，元素Os含量較之原始地幔中要低得多含量較之原始地幔中要

25、低得多(可達可達3個數(shù)量級個數(shù)量級)Re在地幔中具有中等不相容性，故與殘留相比在地幔中具有中等不相容性，故與殘留相比較，分異相中較，分異相中Re豐度有所升高豐度有所升高結(jié)果使分異相具有很大的結(jié)果使分異相具有很大的Re/Os，注意：分異相，注意：分異相Re的豐度增加并不很多，但的豐度增加并不很多，但Os的豐度降低多的豐度降低多。另一方面，地球中地殼的質(zhì)量占另一方面，地球中地殼的質(zhì)量占0.48，而地幔的質(zhì)量占而地幔的質(zhì)量占67.10，僅上地幔部分的質(zhì)，僅上地幔部分的質(zhì)量就占量就占10。因此從整體上講，殼因此從整體上講，殼-幔分異作用只使少量的幔分異作用只使少量的Re-Os離開地幔進入地殼，因此并不

26、影響地幔離開地幔進入地殼，因此并不影響地幔中的中的Re/Os值，也不會影響地幔鋨同位素以球值，也不會影響地幔鋨同位素以球粒隕石性質(zhì)演化。粒隕石性質(zhì)演化。同樣，少量富放射成因同樣，少量富放射成因187Os同位素的地殼物同位素的地殼物質(zhì)，在俯沖帶由再循環(huán)作用返回地幔，從整體質(zhì)，在俯沖帶由再循環(huán)作用返回地幔，從整體上講，也不會影響地幔中鋨同位素以球粒隕石上講，也不會影響地幔中鋨同位素以球粒隕石性質(zhì)演化。但將會影響局部地幔物質(zhì)的鋨同位性質(zhì)演化。但將會影響局部地幔物質(zhì)的鋨同位素組成。素組成。Os同位素在研究近代幔源火成巖方面的優(yōu)勢：同位素在研究近代幔源火成巖方面的優(yōu)勢： 與地幔相比，地殼同時富集與地幔相

27、比，地殼同時富集Sm和和Nd，少量的地，少量的地殼混染，將對幔源巖漿巖造成很大影響；殼混染，將對幔源巖漿巖造成很大影響； 但地殼貧但地殼貧Os、稍富、稍富Re，少量的地殼混染對，少量的地殼混染對近代近代幔源巖漿巖幔源巖漿巖Os同位素影響很小，因此同位素影響很小，因此Os同位素同位素更能反映地幔源區(qū)的特征。更能反映地幔源區(qū)的特征。 對對Nd同位素來說，地殼混染和地幔富集作用的同位素來說，地殼混染和地幔富集作用的結(jié)果很相似；結(jié)果很相似； 但因地殼混染對近代幔源巖漿的但因地殼混染對近代幔源巖漿的Os同位素影響同位素影響不大，因此不大，因此Os、Nd同位素相配合，可以區(qū)分地同位素相配合，可以區(qū)分地殼混

28、染作用和地幔富集作用。殼混染作用和地幔富集作用。14.5 大陸巖石圈地幔大陸巖石圈地幔Re-Os同位素定年同位素定年大陸巖石圈地幔，是巖石圈的組成部分，它以大陸巖石圈地幔，是巖石圈的組成部分，它以莫霍面為界，下伏于地殼。它也是地幔的組成部莫霍面為界，下伏于地殼。它也是地幔的組成部分，上覆于軟流圈，為上地幔的頂部。分，上覆于軟流圈，為上地幔的頂部。通常認為在力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性質(zhì)上，大陸巖通常認為在力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性質(zhì)上，大陸巖石圈地幔是地殼石圈地幔是地殼-地幔的過渡層地幔的過渡層;它在對流地幔它在對流地幔-巖巖石圈地幔石圈地幔-地殼相互作用和演化中起重要作用。地殼相互作用和演化中起重要作用。研究

29、大陸巖石圈地幔的成分、結(jié)構(gòu)、形成和演化研究大陸巖石圈地幔的成分、結(jié)構(gòu)、形成和演化是固體地球科學(xué)的前沿?zé)狳c之一。是固體地球科學(xué)的前沿?zé)狳c之一。大洋與大陸地區(qū)的巖石圈地幔地球化學(xué)特征差異明顯=按地球化學(xué)的觀點，在自然界源于大陸巖按地球化學(xué)的觀點，在自然界源于大陸巖石圈地幔的直接標本主要有三類均質(zhì)樣品石圈地幔的直接標本主要有三類均質(zhì)樣品: : 阿爾卑斯型構(gòu)造橄欖巖、阿爾卑斯型構(gòu)造橄欖巖、金伯利巖中的幔源橄欖巖包體、金伯利巖中的幔源橄欖巖包體、堿性玄武巖中的幔源橄欖巖包體。堿性玄武巖中的幔源橄欖巖包體。自自20世紀世紀60年代后期開展大規(guī)模的全球性的地幔年代后期開展大規(guī)模的全球性的地幔地球化學(xué)研究以來

30、，對于大陸巖石圈地幔樣品也地球化學(xué)研究以來，對于大陸巖石圈地幔樣品也作了大量的地球化學(xué)工作，包括：作了大量的地球化學(xué)工作，包括：常量元素、常量元素、REE等微量元素和等微量元素和Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、稀有氣體和氧等同位素體系的、稀有氣體和氧等同位素體系的研究研究 (e.g. Menzies，1990; Basu and Hart, 1996)。但是，對于大陸巖石圈地幔年齡但是，對于大陸巖石圈地幔年齡(或形成時代或形成時代)研究的重大突破，是由于研究的重大突破，是由于Re-Os同位素體系同位素體系成功地用于大陸巖石圈地幔樣品的研究而取成功地用于大陸巖石圈地幔樣品的研

31、究而取得的。得的。在大陸巖石圈地幔的形成和演化的研究中，長期在大陸巖石圈地幔的形成和演化的研究中，長期以來沒有合適的同位素體系可以測定其形成年齡。以來沒有合適的同位素體系可以測定其形成年齡。常用的常用的Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb體系，對于幔源體系，對于幔源橄欖巖往往不能給出形成年齡。橄欖巖往往不能給出形成年齡。這是因為它們都是親石元素，在殼這是因為它們都是親石元素，在殼-幔分異中表現(xiàn)幔分異中表現(xiàn)為不相容性。為不相容性。殘留地幔虧損這些元素，故易受后殘留地幔虧損這些元素，故易受后來的地幔交代作用（顯性或隱性）的影響來的地幔交代作用（顯性或隱性）的影響，其原，其原始含量和同位素組成容易

32、受到改變。始含量和同位素組成容易受到改變。大陸巖石圈地幔的形成和穩(wěn)定，主要由軟流圈物大陸巖石圈地幔的形成和穩(wěn)定，主要由軟流圈物質(zhì)通過巖漿作用：包括熔體分凝構(gòu)成地殼，殘余質(zhì)通過巖漿作用：包括熔體分凝構(gòu)成地殼，殘余的軟流圈物質(zhì)逐趨冷卻形成穩(wěn)定的大陸巖石圈地的軟流圈物質(zhì)逐趨冷卻形成穩(wěn)定的大陸巖石圈地幔，導(dǎo)致：幔，導(dǎo)致： 大陸巖石圈地幔中主要元素成分：大陸巖石圈地幔中主要元素成分：Mg、Ni、Cr等組分濃度升高，等組分濃度升高，玄武質(zhì)成分（玄武質(zhì)成分（Fe、Al、Ca、Na等等)濃度降低。濃度降低。 按理，不相容微量元素也應(yīng)呈虧損特征。按理，不相容微量元素也應(yīng)呈虧損特征。但是，無論在造山帶橄欖巖還是幔

33、源橄欖巖包但是，無論在造山帶橄欖巖還是幔源橄欖巖包體中，常常表現(xiàn)為：體中，常常表現(xiàn)為：不相容主量元素虧損不相容主量元素虧損 與與 不相容微量元素富集不相容微量元素富集這種不耦合現(xiàn)象。這種不耦合現(xiàn)象。反映了地幔交代作用存在的普遍性。反映了地幔交代作用存在的普遍性。 正是地幔交代作用的干擾，常用的正是地幔交代作用的干擾，常用的Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb同位素體系的母子體元素的含量和子體同同位素體系的母子體元素的含量和子體同位素組成，常常與表征巖漿作用的主量元素含量變位素組成，常常與表征巖漿作用的主量元素含量變化之間沒有相關(guān)性。因而：化之間沒有相關(guān)性。因而：這些常用的同位素體系不能測定大

34、陸巖石圈地幔的這些常用的同位素體系不能測定大陸巖石圈地幔的巖漿作用時間；在理想條件下可能給出地幔交代作巖漿作用時間；在理想條件下可能給出地幔交代作用的時間用的時間難于區(qū)分地殼混染、地幔富集。難于區(qū)分地殼混染、地幔富集。Re-Os同位素體系與常用的親石同位素體系與常用的親石Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb同位素體系不同：同位素體系不同：Re-Os元素在天體化學(xué)演化中表現(xiàn)為親鐵耐熔元素在天體化學(xué)演化中表現(xiàn)為親鐵耐熔性質(zhì)。性質(zhì)。在殼在殼-幔演化中，幔演化中，Os是相容元素，富集在殘留是相容元素，富集在殘留地幔中地幔中; Re是中等不相容元素，在液相中稍有是中等不相容元素，在液相中稍有富集。富集

35、。地幔與地殼中的地幔與地殼中的Re/Os值差異很大，隨著時間值差異很大，隨著時間的演化，兩者具有明顯不同的鋨同位素組成，成的演化，兩者具有明顯不同的鋨同位素組成，成為很好的地球化學(xué)示蹤劑為很好的地球化學(xué)示蹤劑 (Allegre & Luck，1980)。尤其尤其Os是相容元素，在地幔中的含量高，故幔是相容元素，在地幔中的含量高，故幔源橄欖巖源橄欖巖Os有較強的抗地幔流體交代作用影響的有較強的抗地幔流體交代作用影響的潛力。潛力。地幔中地幔中Os的含量大大高于地殼的含量大大高于地殼(可達可達3個數(shù)量級，個數(shù)量級， Birck & Allegre, 1994)，對地殼混染不敏感，對地

36、殼混染不敏感從而使得：從而使得：最近的研究表明，橄欖巖包體中的顯性和隱性熱最近的研究表明，橄欖巖包體中的顯性和隱性熱液交代作用以及碳酸鹽熔體交代作用都液交代作用以及碳酸鹽熔體交代作用都不影響不影響Re-Os法測定巖漿作用時間（即大陸巖石圈地幔的形法測定巖漿作用時間（即大陸巖石圈地幔的形成年齡）（成年齡）（Handlar et al., 1997;Olive et al.,1997）。這正是）。這正是Re-Os法的特點所在。法的特點所在。14.5.1 克拉通地區(qū)大陸根的年齡克拉通地區(qū)大陸根的年齡實例實例1：Walker等等(1989)首先采用首先采用SIMS方法，研究南方法，研究南非非KaaWa

37、al克拉通核部克拉通核部4個金伯利巖中的橄欖巖包體個金伯利巖中的橄欖巖包體包包括低溫括低溫(1200)橄欖巖樣品橄欖巖樣品：Os含量含量1.106.8610-9, Re為為0.0921.2810-9。187Os/186Os=0.9051.070，除，除2個樣品外都低于現(xiàn)在的個樣品外都低于現(xiàn)在的地幔值地幔值；由由7個樣品得到的個樣品得到的Re-Os等時年齡，表明該區(qū)大陸巖石等時年齡，表明該區(qū)大陸巖石圈地幔的形成于圈地幔的形成于2.4Ga，說明大陸巖石圈地幔的古老性，說明大陸巖石圈地幔的古老性 其中低溫橄欖巖其中低溫橄欖巖(1200)同時表現(xiàn)出：同時表現(xiàn)出：Nd-Sr同位素和同位素和REE等不相容

38、微量元素的富集特征等不相容微量元素的富集特征鋨同位素卻具有虧損的特征鋨同位素卻具有虧損的特征表明古老大陸巖石圈地幔物質(zhì)是晚太古代地幔部表明古老大陸巖石圈地幔物質(zhì)是晚太古代地幔部分熔融后的殘余體，其分熔融后的殘余體，其Re/Os降低，故降低，故Os同位素同位素虧損，且后期交代對其無影響；而虧損，且后期交代對其無影響；而Nd-Sr同位素和同位素和不相容微量元素的富集是后期地幔交代作用造成不相容微量元素的富集是后期地幔交代作用造成的的.Walker et al. (1989)因此提出了因此提出了Re虧損模式年齡虧損模式年齡的概念，即：的概念，即：假定假定Re全部進入熔體，那么熔體提取后，殘全部進入熔

39、體，那么熔體提取后，殘余地幔的余地幔的Re含量就趨近于零含量就趨近于零式中式中(187Os/186Os)T地幔地幔=0.805，(187Re/186Os)0地幔地幔=3.15t = T - t1It0T殘余地幔假定無殘余地幔假定無Re(187Re/186Os)地幔地幔=3.15t1）（地幔地幔1eOsReOsOsOsOs1t0186187T186187186187l1Os)Re/(Os)Os/(Os)Os/(ln11055. 40地幔186187T186187樣品1861879地幔lt熔體事件Re虧損模式年齡是熔體提取年齡的最小估計虧損模式年齡是熔體提取年齡的最小估計實例實例2 2： Pear

40、son et al. (1995a)對南非對南非Kaapvaal克拉通克拉通上述上述4個金伯利巖中的個金伯利巖中的24個橄欖巖包體作了研究個橄欖巖包體作了研究（其中（其中Os含量含量0.0199.2010-9, 3個樣品個樣品Os0.13510-9）。23個樣品個樣品(187Os/188Os) = 0.10614 0.12572，低于原始，低于原始地幔的現(xiàn)在值。地幔的現(xiàn)在值。包體的包體的Re虧損模式年齡表明該區(qū)大陸巖石圈地幔的形成虧損模式年齡表明該區(qū)大陸巖石圈地幔的形成和穩(wěn)定時間不小于和穩(wěn)定時間不小于3.5Ga。不同時代金伯利巖中的橄欖巖包體的研究表明該區(qū)大陸不同時代金伯利巖中的橄欖巖包體的研

41、究表明該區(qū)大陸巖石圈地幔的形成與地幔分異和陸殼形成是同時的巖石圈地幔的形成與地幔分異和陸殼形成是同時的。實例實例3：對西伯利亞克拉通和懷俄明克拉通地幔對西伯利亞克拉通和懷俄明克拉通地幔橄欖巖包體的橄欖巖包體的Re-Os同位素體系研究，獲得了同位素體系研究，獲得了兩個克拉通地區(qū)的大陸巖石圈地幔形成年齡分兩個克拉通地區(qū)的大陸巖石圈地幔形成年齡分別是別是3.2G、(Pearson et al，1995b)、2.72.9Ga (Carlson & Irving 1994)，也證明了，也證明了大陸巖石圈地幔年齡的古老性。大陸巖石圈地幔年齡的古老性。實例實例4： Olive等等(1997)對北對北

42、Lesotho一個一個90Ma侵位的小侵位的小火山角礫巖筒中產(chǎn)出的幔源包體作了詳細研究：火山角礫巖筒中產(chǎn)出的幔源包體作了詳細研究：（1）其中橄欖巖包體和組合包體中的圍巖橄欖巖的）其中橄欖巖包體和組合包體中的圍巖橄欖巖的187Os/188Os = 0.11420.1245（Os含量含量0.92 2.9010-9, Re含量含量0.l0 0 . 1 8 1 0-9) ;具 有 交 代 礦 物 組 合 的 橄 欖 巖 脈 的具 有 交 代 礦 物 組 合 的 橄 欖 巖 脈 的187Os/188Os=0.1173，都低于原始地幔的現(xiàn)在值，最老，都低于原始地幔的現(xiàn)在值，最老的的Re虧損模式年齡虧損模式

43、年齡2.2Ga，說明了大陸巖石圈地幔的古，說明了大陸巖石圈地幔的古老性。橄欖巖中的顯性地幔交代作用對老性。橄欖巖中的顯性地幔交代作用對Re-Os體系無顯體系無顯著影響。著影響。（2）其中的輝石巖包體和組合包體中的輝石巖脈的）其中的輝石巖包體和組合包體中的輝石巖脈的Os含量更低含量更低(0.120.5010-9), Re含量較高含量較高(0.140.7510-9)，187Os/188Os=0.15210.1480，具有明顯的富集特征，具有明顯的富集特征，Re-Os體系的參考等時線年體系的參考等時線年齡為齡為90Ma。說明地幔中熔體遷移堆積相輝石巖脈是在大陸巖石說明地幔中熔體遷移堆積相輝石巖脈是在

44、大陸巖石圈地幔形成和穩(wěn)定以后的地質(zhì)事件中形成的。圈地幔形成和穩(wěn)定以后的地質(zhì)事件中形成的。187Os/188Os原始值原始值=0.09531, 187Re/188Os=0.40186, T為為地球形成年齡（地球形成年齡（4.558109a）1001Os)Os/（Os)Os/（)(t)球粒188187(t)樣品188187隕石tOs)(OsReOsOsOsOs188187始值188187(t)球粒188187tTee原隕石表中：14.6. Pt-Os同位素體系示蹤核同位素體系示蹤核-幔作用幔作用親鐵元素親鐵元素Pt有有5個同位素，其中個同位素，其中190Pt186Os + a aT1/2= (8.

45、8 0.7) 1011a l l=1.110-12 a-1 (Al-Bataina & Janecke, 1987)。 由于由于190Pt是是Pt族元素中同位素豐度最低的，約族元素中同位素豐度最低的，約為為0.0124%加之其衰變常數(shù)小，在自然界巖礦體加之其衰變常數(shù)小，在自然界巖礦體系中由系中由Pt放射成因的放射成因的186Os含量極小，精確測定含量極小，精確測定有很大困難。加之有很大困難。加之Pt元素豐度低，含量測定也很元素豐度低，含量測定也很困難，因而對困難，因而對Pt-Os同位素體系做的工作很少同位素體系做的工作很少。Walker等等(1997)改進了分析方法后，對西伯利改進了分

46、析方法后，對西伯利亞亞Norlisk地幔熱柱地幔熱柱(251Ma)巖石的巖石的11個樣品個樣品測定，得到測定，得到186Os/188Os-190Pt/188Os等時線，獲等時線，獲得得190Pt的衰變常數(shù)的衰變常數(shù)l l=1.54210-12 a-1，精度為，精度為1%。Walker等等(1997)對對6個個IIA型鐵隕石和型鐵隕石和5個個IIB型鐵隕石獲得型鐵隕石獲得186Os/188Os-190Pt/188Os等時線，用衰變常數(shù)等時線，用衰變常數(shù)l l = 1 . 5 4 2 1 0- 1 2 a- 1， 計 算 的 年 齡 為， 計 算 的 年 齡 為4290284Ma。說明衰變常數(shù)值基

47、本正確。說明衰變常數(shù)值基本正確。強親硫元素在外層地核和地幔中的含量反差強親硫元素在外層地核和地幔中的含量反差極大，因此外核物質(zhì)加入到地幔將引起特征極大，因此外核物質(zhì)加入到地幔將引起特征的、地幔本身作用過程不能產(chǎn)生的親硫元素的、地幔本身作用過程不能產(chǎn)生的親硫元素含量升高。含量升高。但由此造成的地幔柱強親硫但由此造成的地幔柱強親硫元素高含量元素高含量特征，特征，在熱柱物質(zhì)上升侵位和晶體在熱柱物質(zhì)上升侵位和晶體- -液體分離過程中，液體分離過程中，有可能消失而不能保存外核物質(zhì)加入的記錄。有可能消失而不能保存外核物質(zhì)加入的記錄。液態(tài)的外層地核比地幔顯著富集液態(tài)的外層地核比地幔顯著富集Re和和Pt、具、

48、具有很高的有很高的Pt/Os和和Re/Os比值，由于比值，由于187Re和和190Pt分別衰變?yōu)榉謩e衰變?yōu)?87Os和和186Os，因此：，因此：外核具有獨特的外核具有獨特的186Os/188Os和和187Os/188Os比比值都比地幔高的特征。值都比地幔高的特征。只要只要1%的外核物質(zhì)加入到下部地幔中，就會的外核物質(zhì)加入到下部地幔中，就會主導(dǎo)該區(qū)地幔主導(dǎo)該區(qū)地幔Os同位素組成，使同位素組成，使 187Os/188Os、186Os/188Os比值都高！比值都高！而 古 老 洋 殼 再 循 環(huán) 進 入 地 幔 只 能 產(chǎn) 生 高而 古 老 洋 殼 再 循 環(huán) 進 入 地 幔 只 能 產(chǎn) 生 高1

49、87Os/188Os比值，卻不能產(chǎn)生高比值，卻不能產(chǎn)生高186Os/188Os比比值。值。因此因此187Os/188Os、186Os/188Os比值耦合升比值耦合升高可反映有核高可反映有核-幔作用使外核物質(zhì)加入到了幔作用使外核物質(zhì)加入到了地幔柱中。地幔柱中。F Os同位素組成不會因晶體同位素組成不會因晶體-液態(tài)分異過程而液態(tài)分異過程而改變，能夠保存下來。改變，能夠保存下來。FF前述：強親硫元素高含量特征，在熱柱物質(zhì)前述：強親硫元素高含量特征，在熱柱物質(zhì)上升侵位和晶體上升侵位和晶體-液體分離過程中，也有可液體分離過程中，也有可能消失。能消失。Brandon等等(1999)對夏威夷對夏威夷群島的群

50、島的Mauna Loa, Loihi和和Koolau三處苦橄巖的三處苦橄巖的Re-Os和和Pt-Os同位素研究，發(fā)現(xiàn)同位素研究，發(fā)現(xiàn)186Os/188Os和和187Os/188Os高高于球粒隕石型原始地幔，且于球粒隕石型原始地幔，且兩者呈正相關(guān)。兩者呈正相關(guān)。他們認為夏威夷地幔柱來源于地球深部核他們認為夏威夷地幔柱來源于地球深部核-幔邊幔邊界的界的D”層，可能與小行星類似，層，可能與小行星類似，0.5%1%的的外核液態(tài)金屬加入到外核液態(tài)金屬加入到D”層，然后混合物以地幔層，然后混合物以地幔柱形式上升，可以解釋夏威夷苦橄巖的柱形式上升，可以解釋夏威夷苦橄巖的Re-Os和和Pt-Os同位素特征。同

51、位素特征。因此鋨同位素組成可以用于區(qū)分地幔柱來源因此鋨同位素組成可以用于區(qū)分地幔柱來源的深度，或來源于上地幔底部的深度，或來源于上地幔底部670km地震波地震波速 的 不 連 續(xù) 面 ， 或 來 源 于 核速 的 不 連 續(xù) 面 ， 或 來 源 于 核 - 幔 邊 界 層幔 邊 界 層(Brandon et al.，1998; Walker et al.，1995)。FF參考：另一個可以用來探測起源于核參考：另一個可以用來探測起源于核-幔邊界地幔柱的工幔邊界地幔柱的工具是具是W同位素同位素(Arevalo Jr. 2008,EPSL)：182Hf 182W + 半衰期半衰期 8.900.09 Ma (Vockenhuber et al., 2004). Hf、W都是難熔元素，但地球化學(xué)親緣性不同：在地核形成都是難熔元素，但地球化學(xué)親緣性不同：在地核形成的的還原條件還原條件下，下，Hf呈親石元素，趨于進入硅酸鹽相，而呈親石元素，趨于進入硅酸鹽相，而W呈呈中等親硫元素。結(jié)果金屬質(zhì)地核的中等親硫元素。結(jié)果金屬質(zhì)地核的Hf/W 0，因此保持了原，因此保持了原始的始的W同位素組成。同位素組成。因因182Hf 的半衰期很短，故地球中任何的的半衰期很短，故地球中任何