稀有氣體地球化學(xué)研究進(jìn)展

1、稀有氣體地球化學(xué)研究進(jìn)展v稀有氣體，即氦稀有氣體，即氦(He)(He)、氖、氖(Ne)(Ne)、氬、氬(Ar)(Ar)、氪、氪(Kr) (Kr) 、氙、氙(Xe)(Xe)和氡和氡(Rn)(Rn)，又稱惰性氣體，系，又稱惰性氣體，系指化學(xué)元素周期表中的零族元素，以化學(xué)性質(zhì)指化學(xué)元素周期表中的零族元素，以化學(xué)性質(zhì)不活潑和在地球中含量稀少為特征。不活潑和在地球中含量稀少為特征。正由于它正由于它的化學(xué)惰性和少的含量，稀有氣體被發(fā)現(xiàn)、研的化學(xué)惰性和少的含量，稀有氣體被發(fā)現(xiàn)、研究和應(yīng)用都較晚。究和應(yīng)用都較晚。一、稀有氣體同位素在地質(zhì)中的研究現(xiàn)狀1. He1. He、ArAr研究趨于成熟，研究趨于成熟，Ne

2、Ne、KrKr、XeXe進(jìn)展迅速進(jìn)展迅速 稀有氣體中，以He、Ar同位素在地質(zhì)學(xué)中應(yīng)用最早， 范圍最廣，研究也最深入。 He具兩種穩(wěn)定同位素： 3He 和4He Ar有三種穩(wěn)定同位素：40Ar、38Ar、36Ar He、Ar同位素比值被用于追溯巖漿起源、地球分層等問題。目前已對大氣、地殼、上、下地幔等不同來源物質(zhì)的He、Ar同位素組成有了較為清晰的認(rèn)識。 相對于He、Ar，Ne、Kr、Xe、Rn的研究進(jìn)展在過去相當(dāng)長時間是緩慢的。特別是放射性的Rn，因其極微而難以測定的含量，目前研究極少。而Ne、Kr、Xe的研究在近年卻呈一種蓬勃之勢，但對它們在地球中作用與意義認(rèn)識分歧明顯。 總之，稀有氣體研

3、究的總趨勢是：HeHe、ArAr研究趨于研究趨于成熟，成熟，NeNe、KrKr、XeXe進(jìn)展迅速。進(jìn)展迅速。2. 2. 稀有氣體同位素比值的意義及應(yīng)用領(lǐng)域稀有氣體同位素比值的意義及應(yīng)用領(lǐng)域 3He/4He等用于區(qū)分構(gòu)造環(huán)境，探討地球圈層結(jié)構(gòu)； 3He/20Ne-4He/20Ne計算地幔氦輸出量； 3He/4He、20Ne/22Ne、21Ne/22Ne、 40Ar/36Ar及Xe同位素等追溯物質(zhì)源區(qū)； 40Ar/39Ar，40K/40Ar，U-Th/4He等用于巖體的測年； 3He, 21Ne（宇宙射線生氦氖） 計算火山巖的暴露年齡及侵蝕率； 4He/40Ar*(放射源)討論巖漿房深度； 40A

4、r/36Ar等用于大氣混染程度分析，等等。大大洋洋玄玄武武巖巖大大洋洋玄玄武武巖巖大大洋洋玄玄武武巖巖二、稀有氣體與大地構(gòu)造環(huán)境及地球物質(zhì)起源 1. 不同構(gòu)造環(huán)境中的稀有氣體同位素 MORB(大洋中脊玄武巖) 大洋中脊玄武巖是稀有氣體研究最多的地區(qū)。80 年代以來，對大西洋中脊、太平洋中隆等區(qū)域的研究表明，MORB代表強(qiáng)烈排氣的上地幔物質(zhì)，其3He/4He 79Ra(大氣3He/4He=1.410-6，記作Ra) (Rocholl，1996；Marty，1999)。 大洋中脊玄武巖玻璃大洋中脊玄武巖玻璃3He/4He 近年來，MORB中異常高的20Ne/22Ne值引起了許多研究者的興趣。已知大

5、氣中20Ne/22Ne值為9.8，而MORB中普遍發(fā)現(xiàn)1013的同一比值，目前尚未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生20Ne的放射反應(yīng)。鑒于太陽風(fēng)中高的20Ne/22Ne值(可達(dá)13.8；Murer等，1997)。地幔中存在太陽源Ne已成共識(Allegre，1993；Farley，1993)。 Burnard等(1997)對采自大西洋中脊爆裂巖的分析表明，其40Ar/36Ar值主要變化于400040000之間，其中1塊標(biāo)本比值高達(dá)64000，這是地幔樣品已知的最高值。與Moreira等(1998)的結(jié)果相近(40Ar/36Ar小于44000) 。事實上，介于400010000間的40Ar/36Ar值較為常見( Roc

6、holl，1996) 。 OIB(洋島區(qū))目前已對若干較MORB區(qū)3He/4He高端元值的地區(qū)的稀有氣體作了研究，這些地區(qū)均屬熱點(diǎn)區(qū)，大洋中的熱點(diǎn)區(qū)即洋島區(qū)(OIB)，如Hawaii，Iceland，Samoa，Galapagos等地區(qū)，它們代表地幔羽或下地幔源的巖漿噴出，以具高的3He/4He值為特征(某些熱點(diǎn)區(qū)3He/4He值變化極大，如Galapagos區(qū)變化于6.927Ra間(Kurz，1999)。最近，Hilton(1999)在Iceland發(fā)現(xiàn)37Ra以上的3He/4He值，為已知熱點(diǎn)區(qū)的最高值。 Poreda等(1992a)發(fā)現(xiàn)Samoa區(qū)的20Ne/22Ne值大于11.30，相

7、似的比值也見于Reunion(Staudacher等，1994)等地區(qū)。結(jié)合MORB區(qū)，表明整個地幔具有較高的20Ne/22Ne值。 消減帶 Patterson等(1997)在Tabar-Lihir-Tanga-Fen弧區(qū)測得7.2Ra和6.6Ra的3He/4He值，較MORB(大洋中脊玄武巖)略低，表明即使被俯沖板塊強(qiáng)烈改造過的地幔楔，仍只有微量的板源成分。這與Poreda等(1989)對環(huán)太平洋火山弧稀有氣體分析一致。 三聯(lián)點(diǎn) Honda等(1993b)在位于LauBasin盆地的King三聯(lián)點(diǎn)地區(qū)測得(9.40.8)10-6的3He/4He值，相當(dāng)于6.70.16Ra，略低于MORB同一

8、比值。研究表明，三聯(lián)點(diǎn)地區(qū)的3He/4He值隨混染組分(地殼型或地幔型)及混染程度的不同，具有從略低于到略高于MORB的變化范圍。 大陸火山巖及地幔包體相對于大洋，大陸火山巖及地幔包體的稀有氣體研究工作開展較晚，但已遍及世界各大洲。Perez(1996)在西班牙層火山巖中測到3He/4He值為5.978.21 Ra；在美洲大陸，Reid等(1996)在美國西南地區(qū)大陸玄武巖中得到5.57.7 Ra的3He/4He值。結(jié)合早期研究，表明大陸地幔具有與大洋地幔相似的He同位素組成，但變化范圍略為寬廣。2. 中國東部幔源包體中的稀有氣體同位素組成與構(gòu)造環(huán)境3 3He/He/4 4HeHe 中國東部地

9、區(qū)幔源包體稀有氣體同位素組成具如下特征：3He/4He值總體偏低，分布范圍為0.11511.3Ra，其中，介于1.07.0 Ra者比例較大（約67%）。 最近，李延河等在東部一個幔源巨晶中發(fā)現(xiàn)異常高的3He/4He值（達(dá)694Ra），其成因尚不明了。4040Ar/Ar/3636ArAr 中國東部幔源包體的40Ar/36Ar值較低，為2512325，其中大于1000者不足11%，總體上明顯低于MORB和OIB，與美國西部等大陸邊緣的幔源巖類似，也與大洋溝弧系類似；與其它大陸比較，中國東部幔源包體的低40Ar/36Ar特征尤為突出。2020Ne/Ne/2222NeNe 中國東部幔源包體的20Ne/

10、22Ne值（9.512.2）與澳大利亞等大陸的幔源包體類似，也有相當(dāng)比例（約35%）的樣品20Ne/22Ne2800020Ne/22Ne9.80.n9.812.5/13.8三 、稀有氣體同位素綜合示蹤 輕稀有氣體同位素比值對于直觀地判別單一流體源區(qū)非常有效，但對于由2個以上源區(qū)混合而成的流體的判別局限性明顯。故而，利用輕稀有氣體同位素組合，如He-Ne、He-Ar、Ne-Ar同位素對，在流體成因、來源的研究中被廣泛應(yīng)用。大洋玄武巖大洋玄武巖3 3He/He/4 4He-He-4040Ar/Ar/3636ArAr大洋玄武巖大洋玄武巖2020Ne/Ne/2222Ne-Ne-4040Ar/Ar/36

11、36ArAr 由于不同源區(qū)間輕稀有氣體同位素比值差異明顯，因而其相關(guān)圖是源區(qū)判識的有效手段，如3He/4He-40Ar/36Ar、 40Ar/36Ar-20Ne/22Ne、3He/36Ar-40Ar/36Ar等相關(guān)圖。大洋玄武巖大洋玄武巖3 3He/He/3636Ar-Ar-4040Ar/Ar/3636ArArb 包體單礦物3He/36Ar-40Ar/36Ar相關(guān)圖20040060080002468103He/36Ar（E-4）40Ar/36ArMORBAIR幔源巖類中的稀有氣體同位素與幔源巖類中的稀有氣體同位素與SrSr、NdNd、PbPb同位素研究同位素研究 前已述及，Sr-Nd-Pb同位

12、素是相對成熟且極為有 效的巖體示蹤體系，在幔源巖研究中應(yīng)用廣泛。根據(jù)對大洋中脊玄武巖（MORB）和洋島玄武巖（OIB）Sr、Nd、Pb同位素相關(guān)性特征的研究，已經(jīng)鑒定出4個代表性的地?；瘜W(xué)組分端元：虧損的洋中脊玄武巖地幔（DMM）；高U/Pb值地幔（HIMU）；I型富集地幔（EM1）；II型富集地幔（EM2）。其中DMM相當(dāng)于MORB組分；EM1、EM2、HIMU是構(gòu)成OIB的三種主要端元。大大洋洋玄玄武武巖巖He與與Sr、Nd、Pb關(guān)關(guān)系系圖圖圖 一些大洋玄武巖的與 、1 H eSrN dPb、同位素關(guān)系圖（Fa rl e y,1992)PH EM -H eD M -虧損地幔M O RB-大洋中脊玄武巖EM 1-I型富集地幔EM 2-II型富集地幔H I M U-U/Pb高值地幔Fi g . 1 The Iso top i c D i a g ra m of H e vs.Sr , N d a nd Pb fo r O c e a ni c Ba sa l ts1 胡瑞忠，畢獻(xiàn)武，Turner G 等. 1999. 哀牢山金礦帶金成礦流體氦氬同位素地球化學(xué). 中國科學(xué)(D)，29：321330.2 劉強(qiáng)，朱銘，張福松等. 2000. 氬同位素分餾的實驗研究. 地質(zhì)科學(xué)，35(3)：297304.3 孫曉明，No