放射性同位素地球化學(xué)2011下

1、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 中國(guó)科學(xué)院研究生院 2011年 放射性同位素地球化學(xué)(下),提綱,放射性同位素地球化學(xué)(下) Sr,Nd,Pb,Os,Hf同位素在巖石成因和殼幔演化研究中的應(yīng)用 2.1 地球的圈層結(jié)構(gòu)（1），地幔的基本組成和結(jié)構(gòu) 2.2 地球的圈層結(jié)構(gòu)（2），地殼的基本結(jié)構(gòu)和組成 2.3 幔源巖漿巖組分的差別 2.4 混合過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá) 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(xué)方法鑒別巖漿來(lái)源,同位素示蹤研究的基本思路 廣義：建立殼幔物質(zhì)的繼承演化關(guān)系 狹義：確定巖漿的物質(zhì)來(lái)源 手段：同位素、微量元素 展開(kāi)背景： （1）地幔地球化學(xué)性

2、質(zhì)的差異，DM-EMI-EMII-HIMU-SCLM （2）上下地殼地球化學(xué)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(xué)性質(zhì) （4）不同的古老大陸，形成歷史不同,在太陽(yáng)系類(lèi)地行星中，只有地球，形成45億年來(lái)，沒(méi)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，而且發(fā)展出成熟的板塊構(gòu)造,地球內(nèi)部系統(tǒng),Dynamic Earth,行星的形成,主要隕石類(lèi)型的相對(duì)含量,普通球粒隕石,普通球粒隕石,球粒隕石與其他類(lèi)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(méi)有遭遇過(guò)母天體的熔融或地質(zhì)分異，因此結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變過(guò)。幾乎所有球粒隕石均含有毫米大小，稱為“球粒”

3、的球形巖石,太陽(yáng)系的元素豐度（Si=106）,H=2.791010，He=2.72109 O=2.38107 ，C=1.01107,C,碳質(zhì)球粒隕石組成與太陽(yáng)光球的組成基本一致,原始地幔組成與碳質(zhì)球粒隕石組成的比值,問(wèn)題： 1. 太陽(yáng)中有Fe嗎？ 2. 太陽(yáng)、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(gòu)（1），地幔的基本組成和結(jié)構(gòu),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(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(xué)和

4、標(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(guān)系,斜長(zhǎng)石,尖晶石,石榴石,二輝橄欖巖,本質(zhì)：Al晶體結(jié)構(gòu)位置隨壓力和溫度改變,問(wèn)題： 上地幔礦物組成和主元素組成有什么特點(diǎn)？,虧損地幔的貢獻(xiàn)大洋地殼的形成,拉斑玄武巖,富集地幔的貢獻(xiàn)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(xiàn)代全球),whole-mantle convection,From Maruyama, 2002,25 Major Hotspots,現(xiàn)代大洋玄武巖可以按照產(chǎn)出的構(gòu)造環(huán)境分為5類(lèi),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(zhǎng)巖的初始巖漿。 2 BABB (Back-Arc Basin Basalts)，形成于弧后擴(kuò)張脊。弧后盆地寬度601000km。 3 OPB (Ocean Plateau Basalts)，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。 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(dòng)大陸邊緣 *6 CTB (Continental Tholeiitic Basalts)，產(chǎn)生于大陸裂谷早期階段，或形成溢流玄武巖。這類(lèi)巖石與MORB相似，但穿過(guò)大陸地殼并與之反應(yīng)。,板塊構(gòu)造與火成巖成因,1. 洋中脊玄武巖MORB 2. 陸內(nèi)裂谷 3. 島弧火山巖IAV、IAB 4. 活動(dòng)大陸邊緣,5. 弧后盆地 6. 洋島玄武巖OIB 7. 各種陸內(nèi)巖漿活動(dòng) 金伯利巖，碳酸鹽巖，斜長(zhǎng)巖,玄武巖分類(lèi)：依據(jù)地幔源區(qū),地?；瘜W(xué)： 早在60年代，

8、地球化學(xué)家通過(guò)對(duì)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別，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(gè)端元。,問(wèn)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(gòu)（2），地殼的基本結(jié)構(gòu)和組成,大陸地殼的9種結(jié)構(gòu)（Vp速度）類(lèi)型,中國(guó)不同構(gòu)造單元地殼的結(jié)構(gòu)(Vp速度),中國(guó)東部地殼的平均速度結(jié)構(gòu)（Vp）,大陸地殼的巖石學(xué)結(jié)構(gòu),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(zhǎng)角閃巖 最下地殼：基性麻粒巖，輝長(zhǎng)巖，輝石巖,大別山造山帶地殼

9、速度結(jié)構(gòu)（王椿鏞等，1997）,世界著名造山帶地殼斷面對(duì)比圖,華北克拉通中部地殼速度結(jié)構(gòu),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(wèn)題： 1. 上、下地殼組分差別表現(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(wèn)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(lái)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(guān)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(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá),簡(jiǎn)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(guò)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(jù)質(zhì)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(lèi)型巖漿，受到陸殼混染，Sr、Nd同位素變化,MORB類(lèi)型巖漿m,f,Cm,Ci,得到質(zhì)量平衡方程： CiSr = fCcSr + (1-f) CmSr CiSrRiSr =

13、fCcSrRcSr + (1-f) CmSrRmSr,陸殼混染c,研究對(duì)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(gè)方程，5個(gè)未知數(shù)。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(gè)f，可以計(jì)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(biāo)，RiNd=143Nd/144Nd為縱坐標(biāo)，可以得到混合線，如下圖：,關(guān)注：受混染巖漿的RiSr、RiNd與混染程度f(wàn)的關(guān)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(dòng)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(dá)式。該式理論上可適用于任何元素和同位素。對(duì)任何一個(gè)二組份混合體系，其方程為 AxBxyCyD0 （5.62） 其中x，y是橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)的變量，可以是元素或元素的比值。當(dāng)端元1和端元2上的坐標(biāo)即比值為（x1，y1）（x2，y2）時(shí)系數(shù)可表示為：,Aa2b1y2-a1b2y1 Ba1b2a2b1 ； Ca2b1x1-a1b2x2 Da1b2x2y1a2b1x1y2 ra1b2/a2b1 ， r為與系數(shù)B有關(guān)的

17、數(shù)值，反映了混合雙曲線的曲率，曲率的函數(shù)。當(dāng)r1時(shí)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(shí)為為一雙曲線，系數(shù)為 Aa2b1y2-a1b2y1 Ba1b2a2b1ra1b2/a2b1 Ca2b1x1-a1b2x2 Da1b2x2y1a2b1x1y2 比值-元素，如設(shè)x軸為元素，則b1，這時(shí)： Aa2y2a1y1 Ba1a2 ra1/a2 Ca2x1a1x2 Da1x2y1a2x1y1 當(dāng)r1時(shí)，仍為一條受B控制的雙曲線 元素-元素，ab1， Ay2y1 B0 r1 Cx1x2 Dx2y1x1y2 此時(shí)，為一直線方程。,混合作用模型的應(yīng)用,判斷混合過(guò)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(dǎo)致源區(qū)混合Sr-O同位素混合軌跡線為下凹型；相反，當(dāng)?shù)蒯２糠秩廴诘膸r漿上升受到地殼混染時(shí)，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(yīng)用Sr-O同位素體系有效判斷混合過(guò)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(guò)程中，Sr、Nd、Pb等放射性同位素組成不受部分熔融和分離結(jié)晶作用的影響，因此反映源區(qū)特征 洋島玄武巖類(lèi)(OIBs)代表各類(lèi)大洋地幔，并且地殼混染的影響很小，因此可以對(duì)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(jiǎn)單的二元混合關(guān)系,Zindler等(19

19、82)提出，由虧損MORB、含富集物質(zhì)的MORB及初始(pristine chondritic)地幔代表的三個(gè)地幔端元，其混合作用構(gòu)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(gòu)成的面，稱為地幔平面(mantle plane)。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(rèn)為，地幔平面只是地幔端元混合的一個(gè)投影面。通過(guò)對(duì)大量MORB和OIB的Nd-Sr和Pb-Sr同位素組成分析，確定出四個(gè)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(xiàn)為混合直線，說(shuō)明混合端元間具相似的Nd-Sr-Pb比值和密切相關(guān)的成因環(huán)境，因此變種關(guān)系不象是循環(huán)地殼與地幔端元間的關(guān)系，而應(yīng)與大陸巖石圈地幔的發(fā)生過(guò)交代富集事件有關(guān)。,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,為避免二維同位素組成對(duì)判別地幔端元可能帶來(lái)的主觀偏差，Allegre等(1987)和Hart等(1992)對(duì)大量BORB和OIB的87Sr

21、/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb進(jìn)行了主成分分析(principle component analysis)，獲得了5個(gè)特征向量，表征能體現(xiàn)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(gè)向量的總和為97%，故Hart等認(rèn)為，用87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb三個(gè)向量在三維同位素體系中可近似地表達(dá)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(diǎn)統(tǒng)計(jì),地幔端元四面體，按研究地區(qū)統(tǒng)計(jì)。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(rèn)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(rèn)識(shí),地幔端元的劃分，其實(shí)質(zhì)是對(duì)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(zhì)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(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(duì)U/Pb比值增高的原因仍不明確

23、。觀點(diǎn)之一：俯沖過(guò)程中因洋殼物質(zhì)發(fā)生脫水作用，鈾呈+4價(jià)保持穩(wěn)定，而Pb活化帶出，使俯沖洋殼值增高，該認(rèn)識(shí)得到島弧火山巖Pb/U比值高出MORB約一個(gè)數(shù)量級(jí)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(guò)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(duì)EMII地幔端元成因的認(rèn)識(shí)基本一致，即由于俯沖的大陸碎屑物質(zhì)加入所致，因?yàn)樵摱嗽梦挥谔潛p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(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

24、；但多數(shù)研究者趨向于認(rèn)同，發(fā)生過(guò)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(lái)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(lái)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(kù) CHUR,Figure 14-6. After Zindler and Hart (1986), Staudi