放射性同位素地球化學2011下

1、中國科學院地質與地球物理研究所 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 地球的圈層結構（1），地幔的基本組成和結構 2.2 地球的圈層結構（2），地殼的基本結構和組成 2.3 幔源巖漿巖組分的差別 2.4 混合過程的數學表達 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,同位素示蹤研究的基本思路 廣義：建立殼幔物質的繼承演化關系 狹義：確定巖漿的物質來源 手段：同位素、微量元素 展開背景： （1）地幔地球化學性

2、質的差異，DM-EMI-EMII-HIMU-SCLM （2）上下地殼地球化學性質差異顯著，LC-UC （3）深海沉積物、地外物質等，具有特殊地球化學性質 （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，從內到外物質和能量的交換，從未停止，內部一直保持活力，而且發(fā)展出成熟的板塊構造,地球內部系統(tǒng),Dynamic Earth,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分異，因此結構沒有改變過。幾乎所有球粒隕石均含有毫米大小，稱為“球?！?/p>

3、的球形巖石,太陽系的元素豐度（Si=106）,H=2.791010，He=2.72109 O=2.38107 ，C=1.01107,C,碳質球粒隕石組成與太陽光球的組成基本一致,原始地幔組成與碳質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 地球的圈層結構（1），地幔的基本組成和結構,地球早期的核幔分離,地殼 地幔 地核,地球各主要圈層的體積和質量,地殼，0.4% 地幔，67.2%(三分之二) 地核，32.4%(三分之一),質量百分比：,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

4、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：Al晶體結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？,虧損地幔的貢獻大洋地殼的形成,拉斑玄武巖,富集地幔的貢獻大洋島的形成,堿性玄武巖,J. Morgans Plume Model (1971),Deep mantle plumes Morgan, 1971 were proposed in 1971 to explain: intraplate volcanism, and unusua

5、lly large-volume volcanism on spreading plate boundaries (“hot spots”), time-progressive volcanic chains, and the apparent relative fixity of these “hot spots”.,再循環(huán)模式Recycling Model(Hofmann & White, 1982),Whole-mantle convection with oceanic crust + lithosphere recycling in plumes,地幔柱的下降與上升(局部),From

6、 Maruyama, 2002,地幔柱的下降與上升(現代全球),whole-mantle convection,From Maruyama, 2002,25 Major Hotspots,現代大洋玄武巖可以按照產出的構造環(huán)境分為5類,1 MORB (Mid-Ocean Ridge Basalts)，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。 2 BABB (Back-Arc Basin Basalts)，形成于弧后擴張脊?；『笈璧貙挾?01000km。 3 OPB (Ocean Plateau Basalts)，發(fā)育于大洋板內環(huán)境，形成范圍巨大的、厚的海底熔巖堆積。 4 OI

7、B (Ocean Island Basalts)，形成海山、大洋島、或島鏈 5 IAB (Island Arc Basalts)，島弧或Andean型活動大陸邊緣 *6 CTB (Continental Tholeiitic Basalts)，產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應。,板塊構造與火成巖成因,1. 洋中脊玄武巖MORB 2. 陸內裂谷 3. 島弧火山巖IAV、IAB 4. 活動大陸邊緣,5. 弧后盆地 6. 洋島玄武巖OIB 7. 各種陸內巖漿活動 金伯利巖，碳酸鹽巖，斜長巖,玄武巖分類：依據地幔源區(qū),地幔化學： 早在60年代，

8、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別，區(qū)分出了虧損地幔和富集地幔，發(fā)現了地幔存在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 地球的圈層結構（2），地殼的基本結構和組成,大陸地殼的9種結構（Vp速度）類型,中國不同構造單元地殼的結構(Vp速度),中國東部地殼的平均速度結構（Vp）,大陸地殼的巖石學結構,上部地殼：沉積巖，火山巖 中部地殼：變質沉積巖，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

9、速度結構（王椿鏞等，1997）,世界著名造山帶地殼斷面對比圖,華北克拉通中部地殼速度結構,Zheng TY et al., 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、下地殼組分差別表現在哪些方面？ 2. 上、下地殼的Rb/Sr, Sm/Nd, U/Pb, Th/Pb, Lu/Hf 比值有什么差別？,2.3 幔源巖漿巖的組分差別,MORB與OIB的微量元素和稀土元素配分型式的差別,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,

10、 Sm/Nd比值有什么差別？,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,Figure 8.18. Pb isotope ratios in major terrestrial reservoirs. Typical lower continental crust and upper continental crust are represented by lower crustal xenoliths and modern marine sediments respectively (these

11、somewhat underestimate the total variance in these reser-voirs). MORB and oceanic islands represent the isotopic composition of upper mantle and deep mantle respectively.,主要巖漿巖源區(qū)的Pb同位素組成特征,2.4 混合過程的數學表達,簡單混合模式,二元混合,三元混合,Figure 14-5. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology.

12、 Prentice Hall.,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m,f,C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。 根據質量平衡可得下列方程： Ci = fCc + (1-f) Cm CiRi = fCcRc + (1-f) CmRm,陸殼混染c,巖漿巖i,1-f,Cc,Rc,Cm,Ci,Rm,Ri,MORB類型巖漿，受到陸殼混染，Sr、Nd同位素變化,MORB類型巖漿m,f,Cm,Ci,得到質量平衡方程： CiSr = fCcSr + (1-f) CmSr CiSrRiSr =

13、fCcSrRcSr + (1-f) CmSrRmSr,陸殼混染c,研究對象巖漿巖i （受混染巖漿）,1-f,Cc,Rm,Ri,Rc,CiNd = fCcNd + (1-f) CmNd CiNdRiNd = fCcNdRcNd + (1-f) CmNdRmNd,4個方程，5個未知數。MORB巖漿及混染地殼的 Sr, Nd含量和比值為已知 CiSr = fCcSr + (1-f) CmSr CiSrRiSr = fCcSrRcSr + (1-f) CmSrRmSr,CiNd = fCcNd + (1-f) CmNd CiNdRiSr = fCcNdRcNd + (1-f) CmNdRmNd,給定任

14、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，如下圖：,關注：受混染巖漿的RiSr、RiNd與混染程度f的關系,Sr vs. Nd isotopic ratios for the three zones of the Andes. Data from James et al. (1976), Hawkesworth et al. (1979), James (1982), Harmon et al. (1984), Frey et al. (1984

15、), Thorpe et al. (1984), Hickey et al. (1986), Hildreth and Moorbath (1988), Geist (pers. comm), Davidson (pers. comm.), Wrner et al. (1988), Walker et al. (1991), deSilva (1991), Kay et al. (1991), Davidson and deSilva (1992). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Pren

16、tice Hall.,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 AxBxyCyD0 （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）時系數可表示為：,Aa2b1y2-a1b2y1 Ba1b2a2b1 ； Ca2b1x1-a1b2x2 Da1b2x2y1a2b1x1y2 ra1b2/a2b1 ， r為與系數B有關的

17、數值，反映了混合雙曲線的曲率，曲率的函數。當r1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，系數為 Aa2b1y2-a1b2y1 Ba1b2a2b1ra1b2/a2b1 Ca2b1x1-a1b2x2 Da1b2x2y1a2b1x1y2 比值-元素，如設x軸為元素，則b1，這時： Aa2y2a1y1 Ba1a2 ra1/a2 Ca2x1a1x2 Da1x2y1a2x1y1 當r1時，仍為一條受B控制的雙曲線 元素-元素，ab1， Ay2y1 B0 r1 Cx1x2 Dx2y1x1y2 此時，為一直線方程。,混合作用模型的應用,判斷混合過程 在板塊俯

18、沖帶，地殼與上地幔巖石的氧含量差異不明顯，Sr差別較大。導致源區(qū)混合Sr-O同位素混合軌跡線為下凹型；相反，當地幔部分熔融的巖漿上升受到地殼混染時，地殼物質的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)生和侵位結晶過程中，Sr、Nd、Pb等放射性同位素組成不受部分熔融和分離結晶作用的影響，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提供最好的證據,大量的MORB和OIB同位素組成調查顯示，并不存在簡單的二元混合關系,Zindler等(19

19、82)提出，由虧損MORB、含富集物質的MORB及初始(pristine chondritic)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(mantle plane)。但White(1985)發(fā)現，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/P

20、b地幔端元)。其中，將 Nd-Sr圖中低143Nd/144Nd的邊界稱為“低Nd分布(LoNd array)”，代表了HIMU與EMI地幔端元間的混合分布。 由于低Nd分布表現為混合直線，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分布現象,Sr-Pb體系中的地幔端元,Sr-Nd體系中的地幔端元,為避免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

21、/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb進行了主成分分析(principle component analysis)，獲得了5個特征向量，表征能體現數據變化量最大百分比例的多維組份空間的方向，其數值分別為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

22、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，上地幔部分熔融作用形成玄武質洋殼，其熔融殘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再循環(huán)作用或流體物質交代作用的參與。,1) HIMU端元,多數研究者將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

23、。觀點之一：俯沖過程中因洋殼物質發(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約一個數量級和島弧成因硫化物礦床中方鉛礦表現為高度均一化的整合鉛等證據的支持。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基本一致，即由于俯沖的大陸碎屑物質加入所致，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,部分研究者將EMI的形成也與再循環(huán)的沉積物聯系，即由大洋泥質沉積物為主而區(qū)別于以陸源碎屑為主的EMII

24、；但多數研究者趨向于認同，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 EM I和EM II 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),Figure 14-6. After Zindler and Hart (1986), Staudigel et al. (1984), Hamelin et al. (1986) and Wilson (1989).,2. BSE (Bulk Silicate Earth)總體硅酸鹽地球或原始均一庫 CHUR,Figure 14-6. After Zindler and Hart (1986), Staudi