放射性同位素地球化學2011(下)

中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所中國科學院研究生院2011年放射性同位素地球化學(下)提綱放射性同位素地球化學(下)Sr,Nd,Pb,Os,Hf同位素在巖石成因和殼幔演化研究中的應用2.1地球的圈層結(jié)構〔1〕，地幔的根本組成和結(jié)構2.2地球的圈層結(jié)構〔2〕，地殼的根本結(jié)構和組成2.3幔源巖漿巖組分的差異2.4混合過程的數(shù)學表達2.5洋島玄武巖與地幔端元2.6源區(qū)的鑒別2.7怎樣綜合使用同位素地球化學方法鑒別巖漿來源同位素示蹤研究的根本思路廣義：建立殼幔物質(zhì)的繼承演化關系狹義：確定巖漿的物質(zhì)來源手段：同位素、微量元素展開背景：〔1〕地幔地球化學性質(zhì)的差異，DM-EMI-EMII-HIMU-SCLM〔2〕上下地殼地球化學性質(zhì)差異顯著，LC-UC〔3〕深海沉積物、地外物質(zhì)等，具有特殊地球化學性質(zhì)〔4〕不同的古老大陸，形成歷史不同在太陽系類地行星中，只有地球，形成45億年來，沒有停止演化，從內(nèi)到外物質(zhì)和能量的交換，從未停止，內(nèi)部一直保持活力，而且開展出成熟的板塊構造地球內(nèi)部系統(tǒng)DynamicEarth行星的形成主要隕石類型的相對含量普通球粒隕石普通球粒隕石球粒隕石與其他類型隕石的本質(zhì)區(qū)別何在？球粒隕石是石隕石的一種，它沒有遭遇過母天體的熔融或地質(zhì)分異，因此結(jié)構沒有改變過。幾乎所有球粒隕石均含有毫米大小，稱為“球?！钡那蛐螏r石太陽系的元素豐度〔Si=106〕H=2.79×1010，He=2.72×109O=2.38×107，C=1.01×107C碳質(zhì)球粒隕石組成與太陽光球的組成根本一致原始地幔組成與碳質(zhì)球粒隕石組成的比值問題：1.太陽中有Fe嗎？2.太陽、球粒隕石、地球的元素豐度異同及其原因？2.1地球的圈層結(jié)構〔1〕，地幔的根本組成和結(jié)構地球早期的核幔別離地殼地幔地核地球各主要圈層的體積和質(zhì)量地殼，0.4%地幔，67.2%(三分之二)地核，32.4%(三分之一)質(zhì)量百分比：地幔橄欖巖包體太行山南部—鶴壁地幔橄欖巖包體河北張家口大麻坪二輝橄欖巖上地幔的化學和標準礦物組成-地幔包體資料不同深度地幔的礦物組成和密度上地幔下地幔過渡帶軟流圈軟流圈和巖石圈深度的地幔礦物組合及相變關系斜長石尖晶石石榴石二輝橄欖巖本質(zhì)：Al晶體結(jié)構位置隨壓力和溫度改變問題：上地幔礦物組成和主元素組成有什么特點？虧損地幔的奉獻－大洋地殼的形成拉斑玄武巖富集地幔的奉獻－大洋島的形成堿性玄武巖J.Morgan‘sPlumeModel(1971)Deepmantleplumes[Morgan,1971]wereproposedin1971toexplain:intraplatevolcanism,andunusuallylarge-volumevolcanismonspreadingplateboundaries(“hotspots”),time-progressivevolcanicchains,andtheapparentrelativefixityofthese“hotspots”.再循環(huán)模式RecyclingModel

(Hofmann&White,1982)Whole-mantleconvectionwithoceaniccrust+lithosphererecyclinginplumes地幔柱的下降與上升(局部)FromMaruyama,2002地幔柱的下降與上升(現(xiàn)代全球)whole-mantleconvectionFromMaruyama,200225MajorHotspots現(xiàn)代大洋玄武巖可以按照產(chǎn)出的構造環(huán)境分為5類1MORB(Mid-OceanRidgeBasalts)，洋殼上部的主體，包括熔巖和巖墻，并代表大洋輝長巖的初始巖漿。2BABB(Back-ArcBasinBasalts)，形成于弧后擴張脊?；『笈璧貙挾?0－1000km。3OPB(OceanPlateauBasalts)，發(fā)育于大洋板內(nèi)環(huán)境，形成范圍巨大的、厚的海底熔巖堆積。4OIB(OceanIslandBasalts)，形成海山、大洋島、或島鏈5IAB(IslandArcBasalts)，島弧或Andean型活動大陸邊緣*6CTB(ContinentalTholeiiticBasalts)，產(chǎn)生于大陸裂谷早期階段，或形成溢流玄武巖。這類巖石與MORB相似，但穿過大陸地殼并與之反響。板塊構造與火成巖成因1.洋中脊玄武巖MORB2.陸內(nèi)裂谷3.島弧火山巖IAV、IAB4.活動大陸邊緣5.弧后盆地6.洋島玄武巖OIB7.各種陸內(nèi)巖漿活動金伯利巖，碳酸鹽巖，斜長巖????600km400200kmContinentalCrustOceanicCrustLithosphericMantleSub-lithosphericMantleSourceofMelts1534672玄武巖分類：依據(jù)地幔源區(qū)地?；瘜W：早在60年代，地球化學家通過對洋島玄武巖(OIB)的研究，觀察到了地幔的不均一性，而隨后發(fā)現(xiàn)了大洋中脊玄武巖(MORB)與OIB之間存在微量元素和同位素組成上的顯著差異，區(qū)分出了虧損地幔和富集地幔，發(fā)現(xiàn)了地幔存在4個端元。問題：虧損地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？2.2地球的圈層結(jié)構〔2〕，地殼的根本結(jié)構和組成大陸地殼的9種結(jié)構〔Vp速度〕類型中國不同構造單元地殼的結(jié)構(Vp速度)中國東部地殼的平均速度結(jié)構〔Vp〕大陸地殼的巖石學結(jié)構上部地殼：沉積巖，火山巖中部地殼：變質(zhì)沉積巖，混合巖，花崗巖下地殼：中基性麻粒巖，斜長角閃巖最下地殼：基性麻粒巖，輝長巖，輝石巖大別山造山帶地殼速度結(jié)構〔王椿鏞等，1997〕世界著名造山帶地殼斷面比照圖華北克拉通中部地殼速度結(jié)構ZhengTYetal.,2009,Geology大陸上地殼的組成大陸下地殼的主元素組成典型地殼的稀土元素組成典型地殼的微量元素組成問題：1.上、下地殼組分差異表現(xiàn)在哪些方面？2.上、下地殼的Rb/Sr,Sm/Nd,U/Pb,Th/Pb,Lu/Hf比值有什么差異？Rb/SrSm/NdU/PbLu/HfRe/Os上地殼很高下地殼最低古陸地殼巖石圈地幔最低軟流圈地幔最低最高最高EMI很低EMIIHIMU最高2.3幔源巖漿巖的組分差異MORB與OIB的微量元素和稀土元素配分型式的差異問題：1.稀土元素和不相容元素配分型式是否可以揭示玄武巖來自虧損地幔還是富集地幔？2.MORB與OIB的Rb/Sr,Sm/Nd比值有什么差異？IAV=島弧火山巖OIB=洋島玄武巖Sr同位素Nd同位素MORB洋中脊玄武巖幔源巖漿巖Sr-Nd同位素組成的相關性Figure8.18.Pbisotoperatiosinmajorterrestrialreservoirs.Typicallowercontinentalcrustanduppercontinentalcrustarerepresentedbylowercrustalxenolithsandmodernmarinesedimentsrespectively(thesesomewhatunderestimatethetotalvarianceinthesereser-voirs).MORBandoceanicislandsrepresenttheisotopiccompositionofuppermantleanddeepmantlerespectively.主要巖漿巖源區(qū)的Pb同位素組成特征2.4混合過程的數(shù)學表達簡單混合模式二元混合三元混合Figure14-5.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.混合作用普遍存在混合過程的定量模型〔以幔源巖漿受到陸殼混染為例〕幔源巖漿mfC代表元素濃度，如Rb，Sr，Sm，Nd等；R代表同位素比值，如87Sr/86Sr，143Nd/144Nd等。根據(jù)質(zhì)量平衡可得以下方程：Ci=fCc+(1-f)CmCi·Ri=fCc·Rc+(1-f)Cm·Rm陸殼混染c巖漿巖i1-fCcRcCmCiRmRiMORB類型巖漿，受到陸殼混染，Sr、Nd同位素變化MORB類型巖漿mfCmCi得到質(zhì)量平衡方程：

CiSr=fCcSr

+(1-f)CmSr

CiSr·RiSr=fCcSr·RcSr+(1-f)CmSr·RmSr陸殼混染c研究對象巖漿巖i〔受混染巖漿〕1-fCcRmRiRc CiNd=fCcNd

+(1-f)CmNd

CiNd·RiNd=fCcNd·RcNd+(1-f)CmNd·RmNd4個方程，5個未知數(shù)。MORB巖漿及混染地殼的Sr,Nd含量和比值為 CiSr=fCcSr+(1-f)CmSr CiSr·RiSr=fCcSrRcSr+(1-f)CmSrRmSr CiNd=fCcNd

+(1-f)CmNd

CiNd·RiSr=fCcNdRcNd+(1-f)CmNdRmNd給定任意一個f，可以計算出受混染巖漿的Sr,Nd含量和比值CiSr、CiSr、RiSr、RiNd取RiSr=87Sr/86Sr為橫坐標，RiNd=143Nd/144Nd為縱坐標，可以得到混合線，如以下圖：關注：受混染巖漿的RiSr、RiNd與混染程度f的關系Srvs.NdisotopicratiosforthethreezonesoftheAndes.DatafromJamesetal.(1976),Hawkesworthetal.(1979),James(1982),Harmonetal.(1984),Freyetal.(1984),Thorpeetal.(1984),Hickeyetal.(1986),HildrethandMoorbath(1988),Geist(pers.comm),Davidson(pers.comm.),W?rneretal.(1988),Walkeretal.(1991),deSilva(1991),Kayetal.(1991),DavidsonanddeSilva(1992).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.南美安第斯活動大陸邊緣火山巖的Sr-Nd同位素通用二元混合方程

Vollmer〔1976〕和Langmuir等〔1978〕先后給出了二元混合體系微量元素濃度的通用表達式。該式理論上可適用于任何元素和同位素。對任何一個二組份混合體系，其方程為Ax＋Bxy＋Cy＋D＝0〔5.62〕其中x，y是橫坐標、縱坐標的變量，可以是元素或元素的比值。當端元1和端元2上的坐標即比值為〔x1，y1〕〔x2，y2〕時系數(shù)可表示為：A＝a2b1y2-a1b2y1B＝a1b2－a2b1；C＝a2b1x1-a1b2x2D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2

r＝a1b2/a2b1，r為與系數(shù)B有關的數(shù)值，反映了混合雙曲線的曲率，曲率的函數(shù)。當r＝1時為直線方程。

其中，ai為yi的分母值，bi為xi的分母值比值-比值，此時為為一雙曲線，系數(shù)為A＝a2b1y2-a1b2y1B＝a1b2－a2b1r＝a1b2/a2b1C＝a2b1x1-a1b2x2D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2比值-元素，如設x軸為元素，那么b＝1，這時：A＝a2y2－a1y1B＝a1－a2

r＝a1/a2C＝a2x1－a1x2D＝a1x2y1－a2x1y1當r≠1時，仍為一條受B控制的雙曲線元素-元素，a＝b＝1，A＝y(tǒng)2－y1B＝0

r＝1C＝x1－x2D＝x2y1－x1y2此時，為一直線方程?；旌献饔媚Ｐ偷膽门袛嗷旌线^程在板塊俯沖帶，地殼與上地幔巖石的氧含量差異不明顯，Sr差異較大。導致源區(qū)混合Sr-O同位素混合軌跡線為下凹型；相反，當?shù)蒯＞植咳廴诘膸r漿上升受到地殼混染時，地殼物質(zhì)的Sr一般低于巖漿，形成上凸型雙曲線。因此可應用Sr-O同位素體系有效判斷混合過程。2.5洋島玄武巖與地幔端元為什么研究大洋玄武巖在巖漿發(fā)生和侵位結(jié)晶過程中，Sr、Nd、Pb等放射性同位素組成不受局部熔融和別離結(jié)晶作用的影響，因此反映源區(qū)特征洋島玄武巖類(OIBs)代表各類大洋地幔，并且地殼混染的影響很小，因此可以對地幔性質(zhì)提供最好的證據(jù)大量的MORB和OIB同位素組成調(diào)查顯示，并不存在簡單的二元混合關系Zindler等(1982)提出，由虧損MORB、含富集物質(zhì)的MORB及初始(pristinechondritic)地幔代表的三個地幔端元，其混合作用構成了大洋環(huán)境玄武巖的巖漿源區(qū)。該三端元在Nd-Sr-Pb同位素體系中構成的面，稱為地幔平面(mantleplane)。但White(1985)發(fā)現(xiàn)，在地幔平面之上或之下均存在其它的大洋環(huán)境玄武巖分布。地幔平面Hart等(1986)認為，地幔平面只是地幔端元混合的一個投影面。通過對大量MORB和OIB的Nd-Sr和Pb-Sr同位素組成分析，確定出四個地幔端元，分別為DMM(洋中脊虧損地幔端元)、EMI和EMII(富集I和富集II型地幔端元)及HIUM(高U/Pb地幔端元)。其中，將Nd-Sr圖中低143Nd/144Nd的邊界稱為“低Nd分布(‘LoNdarray’)”，代表了HIMU與EMI地幔端元間的混合分布。由于低Nd分布表現(xiàn)為混合直線，說明混合端元間具相似的Nd-Sr-Pb比值和密切相關的成因環(huán)境，因此變種關系不象是循環(huán)地殼與地幔端元間的關系，而應與大陸巖石圈地幔的發(fā)生過交代富集事件有關。在二維同位素體系中，顯示出了多地幔端元組成及低Nd分布現(xiàn)象Sr-Pb體系中的地幔端元Sr-Nd體系中的地幔端元為防止二維同位素組成對判別地幔端元可能帶來的主觀偏差，Allegre等(1987)和Hart等(1992)對大量BORB和OIB的87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb進行了主成分分析(principlecomponentanalysis)，獲得了5個特征向量，表征能表達數(shù)據(jù)變化量最大百分比例的多維組份空間的方向，其數(shù)值分別為56、37、4、2和1%。由于前三個向量的總和為>97%，故Hart等認為，用87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb三個向量在三維同位素體系中可近似地表達MORB-OIB的特征向量的方向，即在以DMM、HIMU、EMI和EMII端元在上述三維同位素空間中組成的四面體，包含了>97%的大洋環(huán)境玄武巖的同位素組成范圍。地幔端元四面體，按樣品點統(tǒng)計地幔端元四面體，按研究地區(qū)統(tǒng)計。圖中顯示各地區(qū)OIB呈以DMM與其它三端元的混合。但Hart等認為是以FOZO為中心的混合，代表了下地幔端元。三維同位素體系中的地幔產(chǎn)端元四面體(彩圖)地幔端元的成因認識地幔端元的劃分，其實質(zhì)是對富集地幔端元(EMI、EMII、HIMU)成因的分析。通常的理解是，上地幔局部熔融作用形成玄武質(zhì)洋殼，其熔融剩余演化成不相容元素虧損的上地幔端元DMM；富集地幔端元的形成顯然需要有巖石圈物質(zhì)再循環(huán)作用或流體物質(zhì)交代作用的參與。1)HIMU端元多數(shù)研究者將HIMU的形成歸咎于俯沖洋殼，但對U/Pb比值增高的原因仍不明確。觀點之一：俯沖過程中因洋殼物質(zhì)發(fā)生脫水作用，鈾呈+4價保持穩(wěn)定，而Pb活化帶出，使俯沖洋殼值增高，該認識得到島弧火山巖Pb/U比值高出MORB約一個數(shù)量級和島弧成因硫化物礦床中方鉛礦表現(xiàn)為高度均一化的整合鉛等證據(jù)的支持。此外，發(fā)生過高U/Pb比值的交代富集作用的俯沖大洋巖石圈、大陸巖石圈拆沉作用也被作為形成HIMU端元的可能成因。2)EMII端元對EMII地幔端元成因的認識根本一致，即由于俯沖的大陸碎屑物質(zhì)參加所致，因為該端元正好位于虧損地幔與大洋沉積物的混合線上。3)EMI端元局部研究者將EMI的形成也與再循環(huán)的沉積物聯(lián)系，即由大洋泥質(zhì)沉積物為主而區(qū)別于以陸源碎屑為主的EMII；但多數(shù)研究者趨向于認同，發(fā)生過交代作用的巖石圈再循環(huán)作用是主要成因，而發(fā)生再循環(huán)作用的方式來自大陸克拉通邊緣的大陸巖石圈俯沖作用。EMI、EMII、HIMU端元成因示意圖地幔端元的特征DMM，一般在地幔的最上部，虧損不相容元素，代表地殼從地幔分異后的殘留物HIMU，地幔與再循環(huán)洋殼的混合，由于洋低熱液作用或俯沖帶的脫水作用，造成Pb的流失和m值升高EMI和EMII可能分別來自地幔與下地殼和上地殼的混合2.6源區(qū)的鑒別1.DM(虧損地幔)=N-MORB源區(qū)Figure14-6.AfterZindlerandHart(1986),Staudigeletal.(1984),Hamelinetal.(1986)andWilson(1989).2.BSE(BulkSilicateEarth)總體硅酸鹽地球或原始均一庫＝CHURFigure14-6.After