南京大学同位素地质学-12Sr同位素演化-Sr同位素地球化学教材

1、12 Sr12 Sr同位素演化同位素演化/Sr/Sr同位素地球化学同位素地球化学陨石和整体地球的陨石和整体地球的Sr(Nd-Os)同位素组成和演化同位素组成和演化整体地球的同位素演化，是示踪地球上各种地整体地球的同位素演化，是示踪地球上各种地质过程的基准。而要理解整体地球的同位素演化，质过程的基准。而要理解整体地球的同位素演化，必须首先知道整体地球的初始同位素组成。必须首先知道整体地球的初始同位素组成。但是，由于地球的质量大、散热慢，而发生长但是，由于地球的质量大、散热慢，而发生长期的热重力化学分异作用，因此在地球上很难取期的热重力化学分异作用，因此在地球上很难取到反映整体地球的样品。到反映整

2、体地球的样品。12.1 陨石和整体地球陨石和整体地球Sr同位素组成和演化同位素组成和演化一些同属太阳系与地球同源的一些同属太阳系与地球同源的小星体小星体，质量小、散，质量小、散热快，只经历了相对短期（热快，只经历了相对短期（n 101102 Ma）化学分）化学分异异(可能发生熔融作用并伴随金属可能发生熔融作用并伴随金属Fe-Ni和硅酸盐熔和硅酸盐熔体的分离体的分离)，很快冷却形成成分不同的固体，因而保，很快冷却形成成分不同的固体，因而保持了太阳系较早期分异时的同位素成分。持了太阳系较早期分异时的同位素成分。小星体之间碰撞产生的碎片，落到地球上就成为小星体之间碰撞产生的碎片，落到地球上就成为陨陨

3、石石，如果没有受到地质作用的改造，则其同位素成，如果没有受到地质作用的改造，则其同位素成分可以代表整体地球的组成。分可以代表整体地球的组成。大部分陨石来自火星和木星之间绕太阳而行的大部分陨石来自火星和木星之间绕太阳而行的小游星，小游星，小游星（小游星（asteroid）是较大母体的碎是较大母体的碎块，而较大母体来源于小行星，块，而较大母体来源于小行星，小行星小行星（planetoid）是在通过太阳系中太阳星云凝结是在通过太阳系中太阳星云凝结和俘获星子而形成太阳和行星过程中形成的。和俘获星子而形成太阳和行星过程中形成的。此外，一小部分石陨石来自月亮和火星被小游此外，一小部分石陨石来自月亮和火星被

4、小游星撞击而溅出的碎块。星撞击而溅出的碎块。陨石由与地球上基性岩矿物类似的硅酸盐和氧陨石由与地球上基性岩矿物类似的硅酸盐和氧化物矿物组成，此外含有分散状的金属铁和镍化物矿物组成，此外含有分散状的金属铁和镍颗粒或呈铁和镍存在。因此陨石被划分为石陨颗粒或呈铁和镍存在。因此陨石被划分为石陨石、石铁陨石、铁陨石。石、石铁陨石、铁陨石。所收集到的陨石中：所收集到的陨石中：石陨石占石陨石占 9595铁陨石铁陨石 4 4石铁陨石石铁陨石 1 1石陨石又分为：石陨石又分为：球粒陨石球粒陨石(chondrite)(chondrite)：球粒陨石含有直径：球粒陨石含有直径1mm1mm左右的小球（左右的小球（cho

5、ndrule)chondrule)。许多球粒陨石是复。许多球粒陨石是复矿碎屑矿碎屑角砾角砾岩，显示不同范围的热和冲击变质岩，显示不同范围的热和冲击变质效应；效应；无球粒陨石无球粒陨石(achondrite)(achondrite)：玄武质无球粒陨石：玄武质无球粒陨石与地球上基性、超基性岩成分和结构相似与地球上基性、超基性岩成分和结构相似Summary classification of meteorites参考资料顽辉陨石钙长辉长岩中铁陨石和石铁陨石12.1.1石陨石和铁陨石石陨石和铁陨石大部分石陨石的大部分石陨石的Rb-Sr等时线年龄为等时线年龄为4.55Ga，误差较小，误差较小陨石名称陨石

6、名称Rb-Sr等时线年龄等时线年龄Krhenberg球粒陨石球粒陨石4.6000.014Ga1Ca-rich无球粒陨石无球粒陨石4.300.26Ga27个铁陨石的硅酸盐包体个铁陨石的硅酸盐包体4.550.077Ga3Colomera铁陨石硅酸盐包体矿物铁陨石硅酸盐包体矿物 4.510.04Ga4LL型球粒陨石型球粒陨石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）一再证等）一再证实石陨石和铁陨石中的硅酸盐矿物在实石陨石和铁陨石中的硅酸盐矿物在4.55Ga前结前结晶，且结晶持续的时间只有几十个晶，且结晶持续的时间只有几十个Ma。虽然大部分石陨石经历了由小游星之间碰撞引起虽然大部分石陨石经历了由小游星之间碰撞引起的短期冲击变质作用，但大部分石陨石样品的的短期冲击变质作用，但大部分石陨石样品的Rb-Sr同位素体系没有受到可探测的影响，因此同位素体系没有受到可探测的影响，因此大部分陨石在它们撞击地球之前，在太空中生存大部分陨石在它们撞击地球之前，在太空中生存的的4.55

8、Ga期间没有受到扰动！期间没有受到扰动！如图：LL型球粒陨石全岩Rb-Sr等时线年龄上图上图LL型球粒陨石全岩型球粒陨石全岩Rb-Sr等时线，表明等时线，表明这些陨石具有相同的年龄和初始这些陨石具有相同的年龄和初始87Sr/86Sr比比值（值（0.698938），说明太阳系形成初期具），说明太阳系形成初期具有均匀的有均匀的Sr同位素组成。同位素组成。因此因此4.55Ga前成为地球的那一部分的前成为地球的那一部分的Sr，极，极可能也具有小游星和陨石的可能也具有小游星和陨石的Sr同位素成分同位素成分小结：小结：石陨石是在石陨石是在4.5Ga前形成的，石陨石的前形成的，石陨石的Rb-Sr等时线说明其

9、来源有非常相似的等时线说明其来源有非常相似的87Sr/86Sr比比值，是在短期内快速结晶形成。值，是在短期内快速结晶形成。但也有一些石陨石具有很不同的但也有一些石陨石具有很不同的 87Sr/86Sr比比值，揭示发生太阳系初期的一些事件的信息。值，揭示发生太阳系初期的一些事件的信息。太阳系光球太阳系光球(photosphere)的的Rb/Sr比值被认为约比值被认为约为为0.65。如果太阳系星云相似于该值，那么。如果太阳系星云相似于该值，那么87Sr/86Sr比值的增长速率为比值的增长速率为2.6 10-5/Ma。因此，来自太阳系的不含因此，来自太阳系的不含Rb的物相的的物相的87Sr/86Sr值

10、值取决于其形成时间。取决于其形成时间。确定太阳系的原始确定太阳系的原始87Sr/86Sr比值是比较困难的比值是比较困难的而要获得陨石形成时太阳系星云的值是可能的，而要获得陨石形成时太阳系星云的值是可能的，玄武质无球粒陨石可能是最好的选择，因为它是玄武质无球粒陨石可能是最好的选择，因为它是硅酸盐熔体结晶形成并具有很低的硅酸盐熔体结晶形成并具有很低的Rb/Sr比值比值（ 0.002） 结晶以来其结晶以来其87Sr/86Sr增长微乎其微。增长微乎其微。Papanastassiou & Wasserburg (1969)从从7个玄武质无球个玄武质无球粒陨石获得初始粒陨石获得初始87Sr/86S

11、r为为0.698990 47，并将，并将其 称 作 玄 武 质 无 球 粒 陨 石 最 佳 初 始 值其 称 作 玄 武 质 无 球 粒 陨 石 最 佳 初 始 值(BABI=basltic achondrite best initial) Allegre et al. (1975)从无球粒陨石从无球粒陨石Juvinas获得初始获得初始87Sr/86Sr 为为 0.698976 55BABI后来被修正为后来被修正为0.69908（相对于标准（相对于标准NBS 9870.71025).BABI可能代表了一组陨石母体的可能代表了一组陨石母体的Sr同位素组同位素组成，但玄武质无球粒陨石并不是太阳系最

12、早形成，但玄武质无球粒陨石并不是太阳系最早形成的物体。成的物体。有些陨石如斜辉石无球粒陨石有些陨石如斜辉石无球粒陨石Angra dos Reis具有更低的具有更低的87Sr/86Sr，其母体从太阳系星，其母体从太阳系星云中分离出来的时间先于其它行星体。云中分离出来的时间先于其它行星体。根据行星起源理论，根据行星起源理论，BABI也代表了也代表了4.55Ga地地球形成时进入地球的球形成时进入地球的Sr的同位素组成，的同位素组成，因此，地球中由于因此，地球中由于87Rb衰变而引起的衰变而引起的Sr同位素同位素成分演化是从成分演化是从BABI值值87Sr/86Sr=0.69908（相（相对于对于NB

13、S987071025）开始的！）开始的！100806040200-200.6990.700ChondriteevolutionALLADORBABIRb-free evolutionBasaltic achondriteSolar nebula 87Sr/86Sr Modal age relative to BABI, Ma12.1.2 火星陨石火星陨石一小组无球粒陨石具有较年轻的一小组无球粒陨石具有较年轻的Rb-Sr等时线年龄和等时线年龄和较大的较大的87Sr/86Sr值（表）。如值（表）。如Nakhla陨石的陨石的Rb-Sr和和Sm-Nd年龄为年龄为1.3Ga、87Sr/86Sr为为0.7

14、0232。稀有气。稀有气体含量和同位素研究表明，该陨石来源于火星。体含量和同位素研究表明，该陨石来源于火星。这组火星陨石包括这组火星陨石包括14颗（颗（2008年：年：20颗），颗），它们大部分与它们大部分与Shergotty、Nakhla、Chassigny相似，因此火星陨石也称相似，因此火星陨石也称SNC组无球粒陨石。组无球粒陨石。 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 落于法国落于法国其它至少其它至少6颗发现于南极冰盖颗发现于南极冰盖由于火星的体积较大，冷却较慢，由于火星的体积

15、较大，冷却较慢， 故分异作用持故分异作用持续到续到1.3Ga，甚至，甚至0.16Ga（Shergotty、ZagamiALHA77005）？）？Nakhla陨石及其火星岩浆源的87Sr/ 86Sr演化火星陨石矿物火星陨石矿物Rb-Sr等时线年龄等时线年龄较小，较小， 87Sr/ 86Sr大于大于BABI陨石陨石Shergottya年龄年龄(161M)比比Nakhla(1.3Ga)更小，更小，陨石陨石Shergotty具有严重的冲击变质，一种可能是小游星具有严重的冲击变质，一种可能是小游星撞击火星溅出的火星岩石在此过程中发生了撞击火星溅出的火星岩石在此过程中发生了Sr同位素均同位素均匀化，但实验

16、表明匀化，但实验表明350kbars的冲击不能使月球玄武岩的冲击不能使月球玄武岩Sr同位素均匀化；同位素均匀化；宇宙射线成因放射性核素研究表明该陨石只是在宇宙射线成因放射性核素研究表明该陨石只是在2.2Ma前前才暴露表面，因此其年龄才暴露表面，因此其年龄(161Ma)不是冲击变质年龄不是冲击变质年龄参考文献：参考文献：Jones (1986), Jagoutz (1991)和和MaSween（1994）总）总结和解释了火星岩石的年龄、矿物学和岩石成因结和解释了火星岩石的年龄、矿物学和岩石成因.还有一些陨石具有异常的同位素组成，如还有一些陨石具有异常的同位素组成，如Allende陨石中的包体富集

17、陨石中的包体富集84Sr，可能是质量，可能是质量分馏或未知的核效应造成，也可能该陨石是分馏或未知的核效应造成，也可能该陨石是由太阳系星云不同部分的粒子凝集而成。由太阳系星云不同部分的粒子凝集而成。12.1.3 月球岩石月球岩石Ocean Storms(Apollo12)月球样品月球样品12002,147(富橄富橄榄石玄武岩榄石玄武岩)的矿物的矿物Rb-Sr年龄为年龄为3.36 0.10Ga, 初始初始87Sr/86Sr值值(0.69949 5)(Papanastassiou & Wasserburg,1970), 该年龄被解释为玄武岩结晶年龄该年龄被解释为玄武岩结晶年龄8 个 采 自

18、月 球个 采 自 月 球 O c e a n Storms的全岩玄武岩样的全岩玄武岩样品定义的直线给出年龄品定义的直线给出年龄4.340.15Ga，初始初始87Sr/86Sr0.6990，与，与BABI一致。一致。这 要 求 这 些 玄 武 岩 的这 要 求 这 些 玄 武 岩 的Rb/Sr与其岩浆源区几乎与其岩浆源区几乎相同，意味着部分熔融相同，意味着部分熔融程度很高。程度很高。从地球、月球、陨石三类行星体测定的放射性年龄直方图。显示定年结果可被用于比较行星学 From Allegre，2008整体地球的现在值整体地球的现在值0.7045（DePaolo& Wasserburg, 1

19、976）12.2 地幔地幔-地壳地壳Sr同位素演化同位素演化 地球上很古老的花岗岩的初始地球上很古老的花岗岩的初始87Sr/86Sr比值很低比值很低(0.7000.702)，但高于，但高于BABI，这些岩石富，这些岩石富Rb，在地，在地球的早期就开始形成，并对后来球的早期就开始形成，并对后来Sr同位素演化中产生同位素演化中产生重要影响。重要影响。 大陆地壳富放射成因大陆地壳富放射成因87Sr，明显区别于上地幔中，明显区别于上地幔中87Sr的微小增长。的微小增长。12.2.1 地幔地幔Sr同位素及其演化同位素及其演化从幔源玄武岩和巨大辉长岩体获得的地幔从幔源玄武岩和巨大辉长岩体获得的地幔Sr同位

20、素组成为同位素组成为0.704 2，但地幔，但地幔Sr同位素组同位素组成具有系统的变化，可划分为四组，其成具有系统的变化，可划分为四组，其87Sr/86Sr比值为：比值为：洋底地幔：洋底地幔： 0.70280洋岛地幔：洋岛地幔： 0.70386岛弧地幔：岛弧地幔： 0.70437大陆地幔：大陆地幔： 0.70577通过不同时代和来源的玄武岩和辉长岩的初始通过不同时代和来源的玄武岩和辉长岩的初始87Sr/86Sr比值比值 vs. Rb-Sr年龄作图，研究地幔年龄作图，研究地幔Sr同位素演化，结果表明同位素演化，结果表明:地幔中地幔中Rb/Sr比值变化很大，且由于比值变化很大，且由于Rb优先于优先

21、于Sr进入地壳，地幔进入地壳，地幔Rb/Sr比值随时间降低，故比值随时间降低，故87Sr/86Sr增长的斜率也是降低的，因此地幔增长的斜率也是降低的，因此地幔Sr同位素的演化是非线性的同位素的演化是非线性的几条演化曲线表几条演化曲线表示（下图）示（下图）5432100.7000.7050.7100.7150.720 Age, Ga87Sr/87SrMantleCrustRb/Sr=0.15Rb/Sr=0.027AA1A2B地幔地幔Rb/Sr比值是随时间降低的，故比值是随时间降低的，故87Sr/86Sr增长的斜率也是降低的增长的斜率也是降低的基于单斜辉石分析得出的地幔Sr同位素演化曲线After

22、 Allegre, 2008与大陆和岛弧火山岩相比，洋脊和洋岛火山岩不与大陆和岛弧火山岩相比，洋脊和洋岛火山岩不易受到古老硅铝层的混染，易受到古老硅铝层的混染，洋岛火山岩的平均洋岛火山岩的平均87Sr/86Sr 0.70437洋底和洋脊火山岩的比值为：洋底和洋脊火山岩的比值为：0.70280 E-MORB 是受到 Schilling effect 的MORB (Hoffmann ). 87Sr/86Sr差别，意味着洋底和洋脊火山岩的差别，意味着洋底和洋脊火山岩的地幔源区地幔源区Rb/Sr比值比值, 低于洋岛火山岩地幔源低于洋岛火山岩地幔源区的区的Rb/Sr, Rb/Sr的差别已存在了至少的差别

23、已存在了至少2Ga.而洋岛火山岩可能来而洋岛火山岩可能来源于相对原始的地幔源于相对原始的地幔物质（或者受到了俯物质（或者受到了俯冲物质影响），这与冲物质影响），这与形成洋岛火山岩的地形成洋岛火山岩的地幔热点含有较高的幔热点含有较高的U、Th、K相一致。相一致。因此，在地球相当早的历史时期，地幔的一些部分就因此，在地球相当早的历史时期，地幔的一些部分就发生了发生了Rb的亏损，洋脊拉斑玄武岩可能就来源于这种的亏损，洋脊拉斑玄武岩可能就来源于这种亏损地幔物质；亏损地幔物质；洋底玄武岩、洋岛玄武岩和洋脊玄武岩在其侵洋底玄武岩、洋岛玄武岩和洋脊玄武岩在其侵出和冷却过程中，由于受到海水或热卤水的蚀出和冷却

24、过程中，由于受到海水或热卤水的蚀变作用，它们的变作用，它们的Sr同位素会发生变化，同位素会发生变化，此外，玄武岩浆与蚀变大洋地壳之间也可能存此外，玄武岩浆与蚀变大洋地壳之间也可能存在相互作用，可导致在相互作用，可导致87Sr/86Sr升高。升高。12.2.2 大陆地壳大陆地壳Sr同位素及其演化同位素及其演化大陆地壳岩石的大陆地壳岩石的Rb/Sr比值极不均匀，因此很难比值极不均匀，因此很难用简单模式来描述大陆地壳的用简单模式来描述大陆地壳的Sr同位素演化，同位素演化，从上地幔分离出来以后，从上地幔分离出来以后，Sr同位素有可能经历了同位素有可能经历了多个多个Rb/Sr体系，并可能被变质、风化、搬

25、运、体系，并可能被变质、风化、搬运、沉积和成岩作用等所改变。沉积和成岩作用等所改变。理论计算得出的Sr同位素演化线实测获得的西格陵兰地壳岩石Sr同位素演化图. A, Amitsoq gneiss; B, Nuk gneiss; C, Ketelidian gneiss; D, Quorguq granites. After Moorbath and Taylor (1981).无论怎样，陆壳的无论怎样，陆壳的87Sr/86Sr比值大于地幔的比值大于地幔的比值，这是解释火成岩和沉积岩初始比值及比值，这是解释火成岩和沉积岩初始比值及其物源的基础。其物源的基础。多数花岗岩的多数花岗岩的87Sr/86Sr比值较高，其形成是比值较高，其形成是以先存硅铝层物质为主要源岩。而玄武质岩以先存硅铝层物质为主要源岩。而玄武质岩石和超基性岩石则来源于地幔石和超基性岩石则来源于地幔。 值得注意的是，北美的一些大花岗岩基的值得注意的是，北美的一些大花岗岩基的Sr同同位素初始比值只比地幔的比值高少许，可能原位素初始比值只比地幔的比值高少许，可能原因：因：