稀有气体地球化学研究进展专题教学PPT

1、稀有气体地球化学研究进展 v稀有气体，即氦稀有气体，即氦(he)(he)、氖、氖(ne)(ne)、氩、氩(ar)(ar)、氪、氪 (kr) (kr) 、氙、氙(xe(xe) )和氡和氡(rn(rn) )，又称惰性气体，系，又称惰性气体，系 指化学元素周期表中的零族元素，以化学性质指化学元素周期表中的零族元素，以化学性质 不活泼和在地球中含量稀少为特征。不活泼和在地球中含量稀少为特征。正由于它正由于它 的化学惰性和少的含量，稀有气体被发现、研的化学惰性和少的含量，稀有气体被发现、研 究和应用都较晚。究和应用都较晚。 一、稀有气体同位素在地质中的研究现状 1. he1. he、arar研究趋于成熟

2、，研究趋于成熟，nene、krkr、xexe进展迅速进展迅速 稀有气体中，以he、ar同位素在地质学中应用最早， 范围最广，研究也最深入。 he具两种稳定同位素： 3he 和4he ar有三种稳定同位素：40ar、38ar、36ar he、ar同位素比值被用于追溯岩浆起源、地球分层等 问题。目前已对大气、地壳、上、下地幔等不同来源物 质的he、ar同位素组成有了较为清晰的认识。 相对于he、ar，ne、kr、xe、rn的研究进展在过去 相当长时间是缓慢的。特别是放射性的rn，因其极微 而难以测定的含量，目前研究极少。而ne、kr、xe的 研究在近年却呈一种蓬勃之势，但对它们在地球中作 用与意义

3、认识分歧明显。 总之，稀有气体研究的总趋势是：hehe、arar研究趋于研究趋于 成熟，成熟，nene、krkr、xexe进展迅速。进展迅速。 2. 2. 稀有气体同位素比值的意义及应用领域稀有气体同位素比值的意义及应用领域 3he/4he等用于区分构造环境，探讨地球圈层结构； 3he/20ne-4he/20ne计算地幔氦输出量； 3he/4he、20ne/22ne、21ne/22ne、 40ar/36ar及xe同位素等 追溯物质源区； 40ar/39ar，40k/40ar，u-th/4he等用于岩体的测年； 3he, 21ne（宇宙射线生氦氖） 计算火山岩的暴露年龄及 侵蚀率； 4he/40

4、ar*(放射源)讨论岩浆房深度； 40ar/36ar等用于大气混染程度分析，等等。 大大 洋洋 玄玄 武武 岩岩 大大 洋洋 玄玄 武武 岩岩 大大 洋洋 玄玄 武武 岩岩 二、稀有气体与大地构造环境及地球物质起源 1. 不同构造环境中的稀有气体同位素 morb(大洋中脊玄武岩) 大洋中脊玄武岩是稀有气 体研究最多的地区。80 年代以来，对大西洋中脊、太 平洋中隆等区域的研究表明，morb代表强烈排气的上地 幔物质，其3he/4he 79ra(大气3he/4he=1.410-6， 记作ra) (rocholl，1996；marty，1999)。 大洋中脊玄武岩玻璃大洋中脊玄武岩玻璃3he/4h

5、e 近年来，morb中异常高的20ne/22ne值引起了许多研究者的兴 趣。已知大气中20ne/22ne值为9.8，而morb中普遍发现1013的 同一比值，目前尚未发现产生20ne的放射反应。鉴于太阳风中高 的20ne/22ne值(可达13.8；murer等，1997)。地幔中存在太阳源 ne已成共识(allegre，1993；farley，1993)。 burnard等(1997)对采自大西洋中脊爆裂岩的分析表明，其 40ar/36ar值主要变化于400040000之间，其中1块标本比值高达 64000，这是地幔样品已知的最高值。与moreira等(1998)的结 果相近(40ar/36a

6、r小于44000) 。事实上，介于400010000间的 40ar/36ar值较为常见( rocholl，1996) 。 oib(洋岛区)目前已对若干较morb区3he/4he高端元值的 地区的稀有气体作了研究，这些地区均属热点区，大洋中的 热点区即洋岛区(oib)，如hawaii，iceland，samoa， galapagos等地区，它们代表地幔羽或下地幔源的岩浆喷出， 以具高的3he/4he值为特征(某些热点区3he/4he值变化极大， 如galapagos区变化于6.927ra间(kurz，1999)。最近， hilton(1999)在iceland发现37ra以上的3he/4he值，

7、为已知 热点区的最高值。 poreda等(1992a)发现samoa区的20ne/22ne值大于11.30， 相似的比值也见于reunion(staudacher等，1994)等地区。 结合morb区，表明整个地幔具有较高的20ne/22ne值。 消减带 patterson等(1997)在tabar-lihir-tanga- fen弧区测得7.2ra和6.6ra的3he/4he值，较morb(大洋中 脊玄武岩)略低，表明即使被俯冲板块强烈改造过的地幔 楔，仍只有微量的板源成分。这与poreda等(1989)对环太 平洋火山弧稀有气体分析一致。 三联点 honda等(1993b)在位于lauba

8、sin盆地的king 三联点地区测得(9.40.8)10-6的3he/4he值，相当于 6.70.16ra，略低于morb同一比值。研究表明，三联点 地区的3he/4he值随混染组分(地壳型或地幔型)及混染程 度的不同，具有从略低于到略高于morb的变化范围。 大陆火山岩及地幔包体相对于大洋，大陆火山岩及地 幔包体的稀有气体研究工作开展较晚，但已遍及世界各大 洲。perez(1996)在西班牙层火山岩中测到3he/4he值为 5.978.21 ra；在美洲大陆，reid等(1996)在美国西南地 区大陆玄武岩中得到5.57.7 ra的3he/4he值。结合早期研 究，表明大陆地幔具有与大洋地幔

9、相似的he同位素组成， 但变化范围略为宽广。 2. 中国东部幔源包体中的稀有气体 同位素组成与构造环境 3 3he/ he/4 4hehe 中国东部地区幔源包体稀有气体同位素组成具如下特 征：3he/4he值总体偏低，分布范围为0.11511.3ra， 其中，介于1.07.0 ra者比例较大（约67%）。 最近，李延河等在东部一个幔源巨晶中发现异常高的 3he/4he值（达694ra），其成因尚不明了。 4040ar/ ar/36 36ar ar 中国东部幔源包体的40ar/36ar值较低，为 2512325，其中大于1000者不足11%，总体上 明显低于morb和oib，与美国西部等大陆边缘

10、 的幔源岩类似，也与大洋沟弧系类似；与其它 大陆比较，中国东部幔源包体的低40ar/36ar特 征尤为突出。 2020ne/ ne/22 22ne ne 中国东部幔源包体的20ne/22ne值（9.512.2） 与澳大利亚等大陆的幔源包体类似，也有相当比例 （约35%）的样品20ne/22ne28000 20ne/22ne 9.80.n9.812.5/13.8 三 、稀有气体同位素综合示踪 轻稀有气体同位素比值对于直观地判别单一 流体源区非常有效，但对于由2个以上源区混合而 成的流体的判别局限性明显。故而，利用轻稀有 气体同位素组合，如he-ne、he-ar、ne-ar同位素 对，在流体成因、

11、来源的研究中被广泛应用。 大洋玄武岩大洋玄武岩3 3he/he/4 4he-he-40 40ar/ ar/36 36ar ar 大洋玄武岩大洋玄武岩20 20ne/ ne/22 22ne- ne-40 40ar/ ar/36 36ar ar 由于不同源区间轻稀有气体同位素比值差异 明显，因而其相关图是源区判识的有效手段，如 3he/4he-40ar/36ar、 40ar/36ar-20ne/22ne、 3he/36ar-40ar/36ar等相关图。 大洋玄武岩大洋玄武岩3 3he/he/36 36ar- ar-40 40ar/ ar/36 36ar ar b 包体单矿物3he/36ar-40a

12、r/36ar相关图 200 400 600 800 0246810 3he/36ar（e-4） 40ar/36ar morb air 幔源岩类中的稀有气体同位素与幔源岩类中的稀有气体同位素与 srsr、ndnd、pbpb同位素研究同位素研究 前已述及，sr-nd-pb同位素是相对成熟且极为有 效的岩体示踪体系，在幔源岩研究中应用广泛。 根据对大洋中脊玄武岩（morb）和洋岛玄武岩 （oib）sr、nd、pb同位素相关性特征的研究，已经 鉴定出4个代表性的地幔化学组分端元： 亏损的洋中脊玄武岩地幔（dmm）； 高u/pb值地幔（himu）； i型富集地幔（em1）； ii型富集地幔（em2）。

13、其中dmm相当于morb组分；em1、em2、 himu是构成oib的三种主要端元。 大大 洋洋 玄玄 武武 岩岩 he 与与 sr、 nd、 pb 关关 系系 图图 图 一些大洋玄武岩的与 、1 h esr n dpb、同位素关系图（fa rl e y,1992) ph em -h e d m -亏损地幔 m o rb-大洋中脊玄武岩 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 ts 1 胡瑞忠，毕献武，turner g 等. 1999. 哀牢山金矿带金成矿流体氦氩同 位素地球化学. 中国科学(d)，29：321330. 2 刘强，朱铭，张福松等. 2000. 氩同位素分馏的实验研究. 地质科学， 35(3)：297304. 3 孙晓明