南京大學(xué)同位素地質(zhì)學(xué)-12Sr同位素演化-Sr同位素地球化學(xué)教材

1、12 Sr12 Sr同位素演化同位素演化/Sr/Sr同位素地球化學(xué)同位素地球化學(xué)隕石和整體地球的隕石和整體地球的Sr(Nd-Os)同位素組成和演化同位素組成和演化整體地球的同位素演化，是示蹤地球上各種地整體地球的同位素演化，是示蹤地球上各種地質(zhì)過程的基準。而要理解整體地球的同位素演化，質(zhì)過程的基準。而要理解整體地球的同位素演化，必須首先知道整體地球的初始同位素組成。必須首先知道整體地球的初始同位素組成。但是，由于地球的質(zhì)量大、散熱慢，而發(fā)生長但是，由于地球的質(zhì)量大、散熱慢，而發(fā)生長期的熱重力化學(xué)分異作用，因此在地球上很難取期的熱重力化學(xué)分異作用，因此在地球上很難取到反映整體地球的樣品。到反映整

2、體地球的樣品。12.1 隕石和整體地球隕石和整體地球Sr同位素組成和演化同位素組成和演化一些同屬太陽系與地球同源的一些同屬太陽系與地球同源的小星體小星體，質(zhì)量小、散，質(zhì)量小、散熱快，只經(jīng)歷了相對短期（熱快，只經(jīng)歷了相對短期（n 101102 Ma）化學(xué)分）化學(xué)分異異(可能發(fā)生熔融作用并伴隨金屬可能發(fā)生熔融作用并伴隨金屬Fe-Ni和硅酸鹽熔和硅酸鹽熔體的分離體的分離)，很快冷卻形成成分不同的固體，因而保，很快冷卻形成成分不同的固體，因而保持了太陽系較早期分異時的同位素成分。持了太陽系較早期分異時的同位素成分。小星體之間碰撞產(chǎn)生的碎片，落到地球上就成為小星體之間碰撞產(chǎn)生的碎片，落到地球上就成為隕隕

3、石石，如果沒有受到地質(zhì)作用的改造，則其同位素成，如果沒有受到地質(zhì)作用的改造，則其同位素成分可以代表整體地球的組成。分可以代表整體地球的組成。大部分隕石來自火星和木星之間繞太陽而行的大部分隕石來自火星和木星之間繞太陽而行的小游星，小游星，小游星（小游星（asteroid）是較大母體的碎是較大母體的碎塊，而較大母體來源于小行星，塊，而較大母體來源于小行星，小行星小行星（planetoid）是在通過太陽系中太陽星云凝結(jié)是在通過太陽系中太陽星云凝結(jié)和俘獲星子而形成太陽和行星過程中形成的。和俘獲星子而形成太陽和行星過程中形成的。此外，一小部分石隕石來自月亮和火星被小游此外，一小部分石隕石來自月亮和火星被

4、小游星撞擊而濺出的碎塊。星撞擊而濺出的碎塊。隕石由與地球上基性巖礦物類似的硅酸鹽和氧隕石由與地球上基性巖礦物類似的硅酸鹽和氧化物礦物組成，此外含有分散狀的金屬鐵和鎳化物礦物組成，此外含有分散狀的金屬鐵和鎳顆?；虺疏F和鎳存在。因此隕石被劃分為石隕顆?；虺疏F和鎳存在。因此隕石被劃分為石隕石、石鐵隕石、鐵隕石。石、石鐵隕石、鐵隕石。所收集到的隕石中：所收集到的隕石中：石隕石占石隕石占 9595鐵隕石鐵隕石 4 4石鐵隕石石鐵隕石 1 1石隕石又分為：石隕石又分為：球粒隕石球粒隕石(chondrite)(chondrite)：球粒隕石含有直徑：球粒隕石含有直徑1mm1mm左右的小球（左右的小球（cho

5、ndrule)chondrule)。許多球粒隕石是復(fù)。許多球粒隕石是復(fù)礦碎屑礦碎屑角礫角礫巖，顯示不同范圍的熱和沖擊變質(zhì)巖，顯示不同范圍的熱和沖擊變質(zhì)效應(yīng)；效應(yīng)；無球粒隕石無球粒隕石(achondrite)(achondrite)：玄武質(zhì)無球粒隕石：玄武質(zhì)無球粒隕石與地球上基性、超基性巖成分和結(jié)構(gòu)相似與地球上基性、超基性巖成分和結(jié)構(gòu)相似Summary classification of meteorites參考資料頑輝隕石鈣長輝長巖中鐵隕石和石鐵隕石12.1.1石隕石和鐵隕石石隕石和鐵隕石大部分石隕石的大部分石隕石的Rb-Sr等時線年齡為等時線年齡為4.55Ga，誤差較小，誤差較小隕石名稱隕石

6、名稱Rb-Sr等時線年齡等時線年齡Krhenberg球粒隕石球粒隕石4.6000.014Ga1Ca-rich無球粒隕石無球粒隕石4.300.26Ga27個鐵隕石的硅酸鹽包體個鐵隕石的硅酸鹽包體4.550.077Ga3Colomera鐵隕石硅酸鹽包體礦物鐵隕石硅酸鹽包體礦物 4.510.04Ga4LL型球粒隕石型球粒隕石4.4930.018Ga51 Kempe & Mller,19692 Papanastassiou & Wasserburg,19693 Burnett & Wasserburg, 19674 Sanz et al., 19705 Minster &

7、; Allgre, 1981其它同位素定年方法（其它同位素定年方法（Sm-Nd，U-Pb等）一再證等）一再證實石隕石和鐵隕石中的硅酸鹽礦物在實石隕石和鐵隕石中的硅酸鹽礦物在4.55Ga前結(jié)前結(jié)晶，且結(jié)晶持續(xù)的時間只有幾十個晶，且結(jié)晶持續(xù)的時間只有幾十個Ma。雖然大部分石隕石經(jīng)歷了由小游星之間碰撞引起雖然大部分石隕石經(jīng)歷了由小游星之間碰撞引起的短期沖擊變質(zhì)作用，但大部分石隕石樣品的的短期沖擊變質(zhì)作用，但大部分石隕石樣品的Rb-Sr同位素體系沒有受到可探測的影響，因此同位素體系沒有受到可探測的影響，因此大部分隕石在它們撞擊地球之前，在太空中生存大部分隕石在它們撞擊地球之前，在太空中生存的的4.55

8、Ga期間沒有受到擾動！期間沒有受到擾動！如圖：LL型球粒隕石全巖Rb-Sr等時線年齡上圖上圖LL型球粒隕石全巖型球粒隕石全巖Rb-Sr等時線，表明等時線，表明這些隕石具有相同的年齡和初始這些隕石具有相同的年齡和初始87Sr/86Sr比比值（值（0.698938），說明太陽系形成初期具），說明太陽系形成初期具有均勻的有均勻的Sr同位素組成。同位素組成。因此因此4.55Ga前成為地球的那一部分的前成為地球的那一部分的Sr，極，極可能也具有小游星和隕石的可能也具有小游星和隕石的Sr同位素成分同位素成分小結(jié)：小結(jié)：石隕石是在石隕石是在4.5Ga前形成的，石隕石的前形成的，石隕石的Rb-Sr等時線說明其

9、來源有非常相似的等時線說明其來源有非常相似的87Sr/86Sr比比值，是在短期內(nèi)快速結(jié)晶形成。值，是在短期內(nèi)快速結(jié)晶形成。但也有一些石隕石具有很不同的但也有一些石隕石具有很不同的 87Sr/86Sr比比值，揭示發(fā)生太陽系初期的一些事件的信息。值，揭示發(fā)生太陽系初期的一些事件的信息。太陽系光球太陽系光球(photosphere)的的Rb/Sr比值被認為約比值被認為約為為0.65。如果太陽系星云相似于該值，那么。如果太陽系星云相似于該值，那么87Sr/86Sr比值的增長速率為比值的增長速率為2.6 10-5/Ma。因此，來自太陽系的不含因此，來自太陽系的不含Rb的物相的的物相的87Sr/86Sr值

10、值取決于其形成時間。取決于其形成時間。確定太陽系的原始確定太陽系的原始87Sr/86Sr比值是比較困難的比值是比較困難的而要獲得隕石形成時太陽系星云的值是可能的，而要獲得隕石形成時太陽系星云的值是可能的，玄武質(zhì)無球粒隕石可能是最好的選擇，因為它是玄武質(zhì)無球粒隕石可能是最好的選擇，因為它是硅酸鹽熔體結(jié)晶形成并具有很低的硅酸鹽熔體結(jié)晶形成并具有很低的Rb/Sr比值比值（ 0.002） 結(jié)晶以來其結(jié)晶以來其87Sr/86Sr增長微乎其微。增長微乎其微。Papanastassiou & Wasserburg (1969)從從7個玄武質(zhì)無球個玄武質(zhì)無球粒隕石獲得初始粒隕石獲得初始87Sr/86S

11、r為為0.698990 47，并將，并將其 稱 作 玄 武 質(zhì) 無 球 粒 隕 石 最 佳 初 始 值其 稱 作 玄 武 質(zhì) 無 球 粒 隕 石 最 佳 初 始 值(BABI=basltic achondrite best initial) Allegre et al. (1975)從無球粒隕石從無球粒隕石Juvinas獲得初始獲得初始87Sr/86Sr 為為 0.698976 55BABI后來被修正為后來被修正為0.69908（相對于標準（相對于標準NBS 9870.71025).BABI可能代表了一組隕石母體的可能代表了一組隕石母體的Sr同位素組同位素組成，但玄武質(zhì)無球粒隕石并不是太陽系最

12、早形成，但玄武質(zhì)無球粒隕石并不是太陽系最早形成的物體。成的物體。有些隕石如斜輝石無球粒隕石有些隕石如斜輝石無球粒隕石Angra dos Reis具有更低的具有更低的87Sr/86Sr，其母體從太陽系星，其母體從太陽系星云中分離出來的時間先于其它行星體。云中分離出來的時間先于其它行星體。根據(jù)行星起源理論，根據(jù)行星起源理論，BABI也代表了也代表了4.55Ga地地球形成時進入地球的球形成時進入地球的Sr的同位素組成，的同位素組成，因此，地球中由于因此，地球中由于87Rb衰變而引起的衰變而引起的Sr同位素同位素成分演化是從成分演化是從BABI值值87Sr/86Sr=0.69908（相（相對于對于NB

13、S987071025）開始的?。╅_始的！100806040200-200.6990.700ChondriteevolutionALLADORBABIRb-free evolutionBasaltic achondriteSolar nebula 87Sr/86Sr Modal age relative to BABI, Ma12.1.2 火星隕石火星隕石一小組無球粒隕石具有較年輕的一小組無球粒隕石具有較年輕的Rb-Sr等時線年齡和等時線年齡和較大的較大的87Sr/86Sr值（表）。如值（表）。如Nakhla隕石的隕石的Rb-Sr和和Sm-Nd年齡為年齡為1.3Ga、87Sr/86Sr為為0.7

14、0232。稀有氣。稀有氣體含量和同位素研究表明，該隕石來源于火星。體含量和同位素研究表明，該隕石來源于火星。這組火星隕石包括這組火星隕石包括14顆（顆（2008年：年：20顆），顆），它們大部分與它們大部分與Shergotty、Nakhla、Chassigny相似，因此火星隕石也稱相似，因此火星隕石也稱SNC組無球粒隕石。組無球粒隕石。 Shergotty， 1865-8-25 落于印度落于印度Nakhla, 1911-6-29 落于埃及落于埃及Chassigny 1815-10-3 落于法國落于法國其它至少其它至少6顆發(fā)現(xiàn)于南極冰蓋顆發(fā)現(xiàn)于南極冰蓋由于火星的體積較大，冷卻較慢，由于火星的體積

15、較大，冷卻較慢， 故分異作用持故分異作用持續(xù)到續(xù)到1.3Ga，甚至，甚至0.16Ga（Shergotty、ZagamiALHA77005）？）？Nakhla隕石及其火星巖漿源的87Sr/ 86Sr演化火星隕石礦物火星隕石礦物Rb-Sr等時線年齡等時線年齡較小，較小， 87Sr/ 86Sr大于大于BABI隕石隕石Shergottya年齡年齡(161M)比比Nakhla(1.3Ga)更小，更小，隕石隕石Shergotty具有嚴重的沖擊變質(zhì)，一種可能是小游星具有嚴重的沖擊變質(zhì)，一種可能是小游星撞擊火星濺出的火星巖石在此過程中發(fā)生了撞擊火星濺出的火星巖石在此過程中發(fā)生了Sr同位素均同位素均勻化，但實驗

16、表明勻化，但實驗表明350kbars的沖擊不能使月球玄武巖的沖擊不能使月球玄武巖Sr同位素均勻化；同位素均勻化；宇宙射線成因放射性核素研究表明該隕石只是在宇宙射線成因放射性核素研究表明該隕石只是在2.2Ma前前才暴露表面，因此其年齡才暴露表面，因此其年齡(161Ma)不是沖擊變質(zhì)年齡不是沖擊變質(zhì)年齡參考文獻：參考文獻：Jones (1986), Jagoutz (1991)和和MaSween（1994）總）總結(jié)和解釋了火星巖石的年齡、礦物學(xué)和巖石成因結(jié)和解釋了火星巖石的年齡、礦物學(xué)和巖石成因.還有一些隕石具有異常的同位素組成，如還有一些隕石具有異常的同位素組成，如Allende隕石中的包體富集

17、隕石中的包體富集84Sr，可能是質(zhì)量，可能是質(zhì)量分餾或未知的核效應(yīng)造成，也可能該隕石是分餾或未知的核效應(yīng)造成，也可能該隕石是由太陽系星云不同部分的粒子凝集而成。由太陽系星云不同部分的粒子凝集而成。12.1.3 月球巖石月球巖石Ocean Storms(Apollo12)月球樣品月球樣品12002,147(富橄富橄欖石玄武巖欖石玄武巖)的礦物的礦物Rb-Sr年齡為年齡為3.36 0.10Ga, 初始初始87Sr/86Sr值值(0.69949 5)(Papanastassiou & Wasserburg,1970), 該年齡被解釋為玄武巖結(jié)晶年齡該年齡被解釋為玄武巖結(jié)晶年齡8 個 采 自

18、月 球個 采 自 月 球 O c e a n Storms的全巖玄武巖樣的全巖玄武巖樣品定義的直線給出年齡品定義的直線給出年齡4.340.15Ga，初始初始87Sr/86Sr0.6990，與，與BABI一致。一致。這 要 求 這 些 玄 武 巖 的這 要 求 這 些 玄 武 巖 的Rb/Sr與其巖漿源區(qū)幾乎與其巖漿源區(qū)幾乎相同，意味著部分熔融相同，意味著部分熔融程度很高。程度很高。從地球、月球、隕石三類行星體測定的放射性年齡直方圖。顯示定年結(jié)果可被用于比較行星學(xué) From Allegre，2008整體地球的現(xiàn)在值整體地球的現(xiàn)在值0.7045（DePaolo& Wasserburg, 1

19、976）12.2 地幔地幔-地殼地殼Sr同位素演化同位素演化 地球上很古老的花崗巖的初始地球上很古老的花崗巖的初始87Sr/86Sr比值很低比值很低(0.7000.702)，但高于，但高于BABI，這些巖石富，這些巖石富Rb，在地，在地球的早期就開始形成，并對后來球的早期就開始形成，并對后來Sr同位素演化中產(chǎn)生同位素演化中產(chǎn)生重要影響。重要影響。 大陸地殼富放射成因大陸地殼富放射成因87Sr，明顯區(qū)別于上地幔中，明顯區(qū)別于上地幔中87Sr的微小增長。的微小增長。12.2.1 地幔地幔Sr同位素及其演化同位素及其演化從幔源玄武巖和巨大輝長巖體獲得的地幔從幔源玄武巖和巨大輝長巖體獲得的地幔Sr同位

20、素組成為同位素組成為0.704 2，但地幔，但地幔Sr同位素組同位素組成具有系統(tǒng)的變化，可劃分為四組，其成具有系統(tǒng)的變化，可劃分為四組，其87Sr/86Sr比值為：比值為：洋底地幔：洋底地幔： 0.70280洋島地幔：洋島地幔： 0.70386島弧地幔：島弧地幔： 0.70437大陸地幔：大陸地幔： 0.70577通過不同時代和來源的玄武巖和輝長巖的初始通過不同時代和來源的玄武巖和輝長巖的初始87Sr/86Sr比值比值 vs. Rb-Sr年齡作圖，研究地幔年齡作圖，研究地幔Sr同位素演化，結(jié)果表明同位素演化，結(jié)果表明:地幔中地幔中Rb/Sr比值變化很大，且由于比值變化很大，且由于Rb優(yōu)先于優(yōu)先

21、于Sr進入地殼，地幔進入地殼，地幔Rb/Sr比值隨時間降低，故比值隨時間降低，故87Sr/86Sr增長的斜率也是降低的，因此地幔增長的斜率也是降低的，因此地幔Sr同位素的演化是非線性的同位素的演化是非線性的幾條演化曲線表幾條演化曲線表示（下圖）示（下圖）5432100.7000.7050.7100.7150.720 Age, Ga87Sr/87SrMantleCrustRb/Sr=0.15Rb/Sr=0.027AA1A2B地幔地幔Rb/Sr比值是隨時間降低的，故比值是隨時間降低的，故87Sr/86Sr增長的斜率也是降低的增長的斜率也是降低的基于單斜輝石分析得出的地幔Sr同位素演化曲線After

22、 Allegre, 2008與大陸和島弧火山巖相比，洋脊和洋島火山巖不與大陸和島弧火山巖相比，洋脊和洋島火山巖不易受到古老硅鋁層的混染，易受到古老硅鋁層的混染，洋島火山巖的平均洋島火山巖的平均87Sr/86Sr 0.70437洋底和洋脊火山巖的比值為：洋底和洋脊火山巖的比值為：0.70280 E-MORB 是受到 Schilling effect 的MORB (Hoffmann ). 87Sr/86Sr差別，意味著洋底和洋脊火山巖的差別，意味著洋底和洋脊火山巖的地幔源區(qū)地幔源區(qū)Rb/Sr比值比值, 低于洋島火山巖地幔源低于洋島火山巖地幔源區(qū)的區(qū)的Rb/Sr, Rb/Sr的差別已存在了至少的差別

23、已存在了至少2Ga.而洋島火山巖可能來而洋島火山巖可能來源于相對原始的地幔源于相對原始的地幔物質(zhì)（或者受到了俯物質(zhì)（或者受到了俯沖物質(zhì)影響），這與沖物質(zhì)影響），這與形成洋島火山巖的地形成洋島火山巖的地幔熱點含有較高的幔熱點含有較高的U、Th、K相一致。相一致。因此，在地球相當(dāng)早的歷史時期，地幔的一些部分就因此，在地球相當(dāng)早的歷史時期，地幔的一些部分就發(fā)生了發(fā)生了Rb的虧損，洋脊拉斑玄武巖可能就來源于這種的虧損，洋脊拉斑玄武巖可能就來源于這種虧損地幔物質(zhì)；虧損地幔物質(zhì)；洋底玄武巖、洋島玄武巖和洋脊玄武巖在其侵洋底玄武巖、洋島玄武巖和洋脊玄武巖在其侵出和冷卻過程中，由于受到海水或熱鹵水的蝕出和冷卻

24、過程中，由于受到海水或熱鹵水的蝕變作用，它們的變作用，它們的Sr同位素會發(fā)生變化，同位素會發(fā)生變化，此外，玄武巖漿與蝕變大洋地殼之間也可能存此外，玄武巖漿與蝕變大洋地殼之間也可能存在相互作用，可導(dǎo)致在相互作用，可導(dǎo)致87Sr/86Sr升高。升高。12.2.2 大陸地殼大陸地殼Sr同位素及其演化同位素及其演化大陸地殼巖石的大陸地殼巖石的Rb/Sr比值極不均勻，因此很難比值極不均勻，因此很難用簡單模式來描述大陸地殼的用簡單模式來描述大陸地殼的Sr同位素演化，同位素演化，從上地幔分離出來以后，從上地幔分離出來以后，Sr同位素有可能經(jīng)歷了同位素有可能經(jīng)歷了多個多個Rb/Sr體系，并可能被變質(zhì)、風(fēng)化、搬

25、運、體系，并可能被變質(zhì)、風(fēng)化、搬運、沉積和成巖作用等所改變。沉積和成巖作用等所改變。理論計算得出的Sr同位素演化線實測獲得的西格陵蘭地殼巖石Sr同位素演化圖. A, Amitsoq gneiss; B, Nuk gneiss; C, Ketelidian gneiss; D, Quorguq granites. After Moorbath and Taylor (1981).無論怎樣，陸殼的無論怎樣，陸殼的87Sr/86Sr比值大于地幔的比值大于地幔的比值，這是解釋火成巖和沉積巖初始比值及比值，這是解釋火成巖和沉積巖初始比值及其物源的基礎(chǔ)。其物源的基礎(chǔ)。多數(shù)花崗巖的多數(shù)花崗巖的87Sr/86Sr比值較高，其形成是比值較高，其形成是以先存硅鋁層物質(zhì)為主要源巖。而玄武質(zhì)巖以先存硅鋁層物質(zhì)為主要源巖。而玄武質(zhì)巖石和超基性巖石則來源于地幔石和超基性巖石則來源于地幔。 值得注意的是，北美的一些大花崗巖基的值得注意的是，北美的一些大花崗巖基的Sr同同位素初始比值只比地幔的比值高少許，可能原位素初始比值只比地幔的比值高少許，可能原因：因：