南京大学同位素地质学-14Os同位素演化-Os同位素地球化学

14Os同位素演化/Os同位素地球化学14.1地球锇同位素组成的原始值研究锇同位素组成在地幔中的演化，首先要知道地球形成时锇同位素的组成。如同Sr-Nd-Pb同位素在地球中的原始值是从测量适当的陨百中相应的同位素组成获得的那样，地球的Os同位素组成的原始值也是从陨石研究中获得的。Luck等(1980)首先采用SIMS方法研究了5个不同类型的铁陨石，包括1个球粒陨石金属相的Re-Os同位素体系，获得Re-Os同位素等时线，得出初始值187Os/186Os=0.805±0.011Luck等(1980)：T=4.55Ga,187Os/186Os=0.805±0.011后来增加了2个铁陨石、1个中铁陨石和9个不同类型的球粒陨石，由上述10个球粒陨石的金属相，获得Re-Os同位素等时线，得出初始值187Os/186Os=0.800±0.024由上述7个铁陨石和1个中铁陨石，获得Re-Os同位素等时线，得出初始值187Os/186Os=0.807±0.006由上述全部陨石获得Re-Os同位素等时线，得出初始值187Os/186Os=0.805±0.006(Luck&Allegre,1983)。Walker&Morgan(1989)研究了碳质球粒陨石的Re-Os同位素体系，由7个不同类型的碳质球粒陨石得到的Re-Os同位素等时线，与铁陨石的等时线(Lucketal,1980;Luck&Allegre,1983)，基本上是一致的，得初始值:187Os/186Os=0.802±0.049因此，地球原始值在此值附近14.2地幔锇同位素组成的演化（1）现代地幔和陨石的Re/Os比值地外物质包括球粒陨石及其分异的铁陨石、玄武质无球粒陨石(BAC)和月岩;Os的丰度变化范围很大(10-12~10-4)，但是它们的Re/Os值几乎稳定在0.1陨石而地球物质和火星陨石(SNC)中Os的丰度较低(为10-12~10-9)，变化范围小于地外物质，但是它们的Re/Os值变化很大（达4个数量级：0.01~100)，并且它们的Re-Os丰度呈现明显的负相关性，与地外物质有显著差异。陨石在海岛玄武岩(OIB)、洋中脊玄武岩(MORB)和科马提岩中Re的丰度大于Os.而在幔源橄榄岩包体中Os的丰度大于Re。（2）地幔锇同位素演化锇铱矿中Os含量高而不含Re，因而其现代锇同位素组成即为样品形成时的初始值；而且锇铱矿的幔源成因，因此，AllegreandLuck(1980)采用已知年龄的不同时代锇铱矿的锇同位素组成代表锇铱矿形成时地幔的锇同位素组成，从而研究地幔中锇同位素组成的演化。Allegre&Luck(1980)研究的锇铱矿样品采自:南非的Witwatersrand(2700Ma)澳大利亚的Tasmania(630Ma)和WaratahBay(430~550Ma)前苏联的Urals(240Ma)和哥伦比亚(90Ma)这些样品的187Os/186Os测量值与铁陨石的初始值(0.805)构成一条直线(图4.3)，它代表了地幔中锇同位素组成演化的模式。据此，获得地幔现在值:187Os/186Os=1.04187Os/188Os=0.11187Re/186Os=3.15(l=1.61×10－11a－1)由此获得的地幔187Re/186Os=3.15与许多陨石的值（3.1~3.3）是一致的，如：C1、C2、H、L、E球粒陨石AngradosReis无球粒陨石铁陨石（见下述）Walker&Morgan(1989)研究的6个碳质球粒陨石的

187Re/186Os=3.0~3.5，与地幔值一致，表明地幔的锇同位素演化具有球粒陨石的性质。Morgan(1985)研究了不同类型的球粒陨石的Os/Re值，认为地幔的Os/Re值与C3O、C3V、E4、E5、E6族球粒陨石的相同，为Os/Re=11.8，相当于187Re/186Os=3.39。为了检验地幔的锇同位素组成的演化，对于太古宙绿岩带中的基性岩、超基性岩、科马提岩，元古宙和显生宙的蛇绿岩等幔源地质样品，进行广泛的Re-Os同位素体系研究，结果表明地幔中锇同位素演化具球粒陨石的特征Walker等(1988)从加拿大Ontario省MunroTownship太古代科马提岩12个样品得到Re-Os等时线年龄2.65±0.09Ga（与U-Pb锆石年龄2.70Ga相一致）初始值187Os/186Os=0.873±0.035,落在球粒陨石地幔演化线上，对太古宙地幔锇同位素演化提供了有力的制约。Evolutionofthe187Os/186Osratioofthemantlefromosmiridiumsassociatedwithultrabasicrocks.AllegreandLuck(1980).对显生宙蛇绿岩中纯橄榄岩和方辉橄榄岩Re-Os同位素研究得到187Os/186Os初始值：120Ma的Oman：1.050220Ma的Toba(日本)：1.029都落在球粒陨石地幔演化线上，表明显生宙地幔的锇同位素组成也符合球粒陨石演化。澳大利亚西部晚太古代绿岩地体中有大量的科马提岩赋存富Ni-Cu-PGE的硫化物矿床。Forster等(1996)对该地三个矿区采集的20多个硫化物矿石和科马提岩样品作Re-Os同位素体系研究：其中13个含矿岩浆硫化物样品和非矿化的科马提岩Re-Os同位素等时线年龄为2706±36Ma（与U-Pb锆石年龄一致），初始值187Os/188Os=0.10889±0.00035，说明太古宙地幔中锇同位素组成也具球粒陨石演化特征。Walker等(1996)从芬兰东部古元古代(1.97Ga)蛇绿岩中的单矿物获得初始值187Os/188Os=0.11395，说明古元古代地幔的锇同位素组成也具有球粒陨石演化特征。(a)从超基性岩铱锇矿获得的地幔187Os/186Os演化(b)陆壳和地幔演化(AllegreandLuck1980)对比对于地幔中亲铁元素Re-Os同位素体系具有球粒陨石型的演化特征，迫使人们思考核-幔和壳-幔相互作用对Re-Os同位素体系的影响。对比：亲石元素Sm-Nd同位素体系，亏损地幔与球粒陨石的Nd同位素演化是不同的.地幔和陨石的187Re/186Os≈3.15球粒陨石14.3核—幔分异对地幔锇同位素演化的影响Re、Os元素的亲铁性，在地球增生后的核-幔分异过程中，与亲石元素相反，它们优先迸入地核。但两者亲铁性强度有差异。那么，为什么地幔硅酸盐部分的Re-Os同位素组成，也具有陨石性质呢？难道Re、Os元素的亲铁性强度一样？比较：整体地球Sm-Nd、Lu-Hf同位素体系具有球粒陨石性质(基本上是一个假定，基础是最早期岩石的初始同位素比值与球粒陨石接近或位于球粒陨石演化线上)；

而地幔相对于整体地球是亏损的。Re-Os等高度亲铁元素在地幔中的丰度，被认为直接与地球形成过程有关。地球形成过程的两种模式

(Newsom&Jones,1989)：均匀吸积模式:地球是由成分基本不变的物质不断吸积增生，然后由单阶段分异过程，形成地核和地幔。不均匀吸积模式:地球是由多阶段不均匀的复杂的吸积增生过程形成的。均匀吸积模式不均匀吸积模式地幔中亲铁元素的丰度特征，Morgan(1985)提出不均匀吸积模式：①地球质量的93%是在还原条件下由原始球粒陨石物质吸积而成的。在此阶段亲铁元素几乎全部进入富铁金属相，分凝成原始的地核。②然后，约有7%的地球质量物质在更加氧化条件下加入，造成现在上地幔的高氧化状态和挥发性元素的分布。在这一阶段中，地幔重新富集了亲铁元素，但高度亲铁元素被分凝到地核，而中等亲铁元素留在硅酸盐地幔中；③最后，少于1%地球质量的更加氧化和亏损挥发性元素的物质加入，使得高度亲铁元素达到现在地幔的丰度和球粒陨石的相对比值。这种不均匀吸积模式可以解释地球中亲铁元素的分布特征，但是没有合适的模式可以解释地球吸积增生三阶段中所需的太阳星云物质的成因(Walter,1997)。近年来，高温高压下不同熔体间元素分配实验：中等亲铁元素（P、Fe、W、Co、Ag、Ni、Sb、As、Ge、M）高度亲铁元素（如Os、Re、lr、Ru、Pt、Rh、Au、Pd）在铁合金熔体和硅酸盐熔体间分配系数测定结果(Li&Agee,1996;Righteretal.,1997;Righter&Drake，1997)，暗示在很高的压力下元素Re、Os可能具有相同的分配系数(Walter,1997)，——支持地球形成过程的均匀吸积增生模式。分配系数测定结果

：元素Ni和Co的分配系数在常压下相差5倍，但随着压力增加差异减小，在28GPa下两者相等(Li&Agee,1996)元素Re、lr、Au、Pd在常压下的分配系数差异很大，但Re在高压与常压下的分配系数相差很大(Righter&Drake,1997)，预计在更高压力下高度亲铁元素Re、Os可能具有相同的分配系数(Walter,1997)。根据这些实验结果可以预见，形成地球的原始物质中Ni/Co、Re/Os具有球粒陨石的比值，在核-幔分异时的深岩浆海条件下(如温度为2200K、压力为28GP,Li&Agee,1996)，核、幔的Ni/Co（及Re/Os）比值仍为球粒陨石型的，从而残余地幔中锇同位素组成的演化与球粒陨石相同.因此支持均匀吸积增生模式，即地球的形成是一步到位的(Walter,1997)。强烈亲铁元素Re-Os在地核-地幔分异过程中没有明显的分馏，即Re/Os比值没有改变，因此没有影响它们在地幔中的演化性质。该推论还有待高压下强烈亲铁元素Os的分配系数实验测定证实！14.4壳-幔分异和地壳物质再循环对地幔锇同位素演化的影响Re-Os元素在地壳-地幔分异过程中产生明显的分异，地壳岩石的Re/Os值明显大于地幔。如采用富集系数f=(Re/Os)rock/(Re/Os)mantle概念：拉斑玄武岩f＝300花岗岩f＝100(Allegre&Luck,1980)由于从地幔分异出来的地壳物质的Re/Os值明显大于地幔，随时间的演化，地壳物质放射成因的187Os增加，其187Os/188Os值高于地幔物质。壳源物质由俯冲再循环作用而返回地幔，将放射成因锇同位素带入地幔。那么，壳-幔分异和地壳再循环对地幔锇同位素组成的演化影响如何?尽管目前各种地球物质的精确Re-Os丰度数据积累不多，但从Re-Os地球化学性质可以预见，在壳-幔分异作用中：Os是残留在地幔的相容元素，在分异出来的地壳物质中，元素Os含量较之原始地幔中要低得多(可达3个数量级)Re在地幔中具有中等不相容性，故与残留相比较，分异相中Re丰度有所升高结果使分异相具有很大的Re/Os，注意：分异相Re的丰度增加并不很多，但Os的丰度降低多。另一方面，地球中地壳的质量占0.48％，而地幔的质量占67.10％，仅上地幔部分的质量就占10％。因此从整体上讲，壳-幔分异作用只使少量的Re-Os离开地幔进入地壳，因此并不影响地幔中的Re/Os值，也不会影响地幔锇同位素以球粒陨石性质演化。同样，少量富放射成因187Os同位素的地壳物质，在俯冲带由再循环作用返回地幔，从整体上讲，也不会影响地幔中锇同位素以球粒陨石性质演化。但将会影响局部地幔物质的锇同位素组成。Os同位素在研究近代幔源火成岩方面的优势：与地幔相比，地壳同时富集Sm和Nd，少量的地壳混染，将对幔源岩浆岩造成很大影响；但地壳贫Os、稍富Re，少量的地壳混染对近代幔源岩浆岩Os同位素影响很小，因此Os同位素更能反映地幔源区的特征。对Nd同位素来说，地壳混染和地幔富集作用的结果很相似；但因地壳混染对近代幔源岩浆的Os同位素影响不大，因此Os、Nd同位素相配合，可以区分地壳混染作用和地幔富集作用。14.5大陆岩石圈地幔Re-Os同位素定年大陆岩石圈地幔，是岩石圈的组成部分，它以莫霍面为界，下伏于地壳。它也是地幔的组成部分，上覆于软流圈，为上地幔的顶部。通常认为在力学、热学和化学性质上，大陆岩石圈地幔是地壳-地幔的过渡层;它在对流地幔-岩石圈地幔-地壳相互作用和演化中起重要作用。研究大陆岩石圈地幔的成分、结构、形成和演化是固体地球科学的前沿热点之一。大洋与大陆地区的岩石圈地幔地球化学特征差异明显=＝==≠≠按地球化学的观点，在自然界源于大陆岩石圈地幔的直接标本主要有三类均质样品:阿尔卑斯型构造橄榄岩、金伯利岩中的幔源橄榄岩包体、碱性玄武岩中的幔源橄榄岩包体。自20世纪60年代后期开展大规模的全球性的地幔地球化学研究以来，对于大陆岩石圈地幔样品也作了大量的地球化学工作，包括：常量元素、REE等微量元素和Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、稀有气体和氧等同位素体系的研究

(e.g.Menzies，1990;BasuandHart,1996)。但是，对于大陆岩石圈地幔年龄(或形成时代)研究的重大突破，是由于Re-Os同位素体系成功地用于大陆岩石圈地幔样品的研究而取得的。在大陆岩石圈地幔的形成和演化的研究中，长期以来没有合适的同位素体系可以测定其形成年龄。常用的Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb体系，对于幔源橄榄岩往往不能给出形成年龄。这是因为它们都是亲石元素，在壳-幔分异中表现为不相容性。残留地幔亏损这些元素，故易受后来的地幔交代作用（显性或隐性）的影响，其原始含量和同位素组成容易受到改变。

大陆岩石圈地幔的形成和稳定，主要由软流圈物质通过岩浆作用：包括熔体分凝构成地壳，残余的软流圈物质逐趋冷却形成稳定的大陆岩石圈地幔，导致：大陆岩石圈地幔中主要元素成分：Mg、Ni、Cr等组分浓度升高，玄武质成分（Fe、Al、Ca、Na等)浓度降低。按理，不相容微量元素也应呈亏损特征。但是，无论在造山带橄榄岩还是幔源橄榄岩包体中，常常表现为：不相容主量元素亏损与不相容微量元素富集这种不耦合现象。——反映了地幔交代作用存在的普遍性。

正是地幔交代作用的干扰，常用的Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb同位素体系的母子体元素的含量和子体同位素组成，常常与表征岩浆作用的主量元素含量变化之间没有相关性。因而：这些常用的同位素体系不能测定大陆岩石圈地幔的岩浆作用时间；在理想条件下可能给出地幔交代作用的时间难于区分地壳混染、地幔富集。Re-Os同位素体系与常用的亲石Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb同位素体系不同：Re-Os元素在天体化学演化中表现为亲铁耐熔性质。在壳-幔演化中，Os是相容元素，富集在残留地幔中;Re是中等不相容元素，在液相中稍有富集。地幔与地壳中的Re/Os值差异很大，随着时间的演化，两者具有明显不同的锇同位素组成，成为很好的地球化学示踪剂(Allegre&Luck，1980)。尤其Os是相容元素，在地幔中的含量高，故幔源橄榄岩Os有较强的抗地幔流体交代作用影响的潜力。地幔中Os的含量大大高于地壳(可达3个数量级，Birck&Allegre,1994)，对地壳混染不敏感从而使得：最近的研究表明，橄榄岩包体中的显性和隐性热液交代作用以及碳酸盐熔体交代作用都不影响Re-Os法测定岩浆作用时间（即大陆岩石圈地幔的形成年龄）（Handlaretal.,1997;Oliveetal.,1997）。这正是Re-Os法的特点所在。14.5.1克拉通地区大陆根的年龄实例1：Walker等(1989)首先采用SIMS方法，研究南非KaaWaal克拉通核部4个金伯利岩中的橄榄岩包体[包括低温(<1200℃)和高温(>1200℃)橄榄岩样品]：Os含量1.10~6.86×10-9,Re为0.092~1.28×10-9。187Os/186Os=0.905~1.070，除2个样品外都低于现在的地幔值；由7个样品得到的Re-Os等时年龄，表明该区大陆岩石圈地幔的形成于2.4Ga，说明大陆岩石圈地幔的古老性

其中低温橄榄岩(<1200℃)同时表现出：Nd-Sr同位素和REE等不相容微量元素的富集特征锇同位素却具有亏损的特征表明古老大陆岩石圈地幔物质是晚太古代地幔部分熔融后的残余体，其Re/Os降低，故Os同位素亏损，且后期交代对其无影响；而Nd-Sr同位素和不相容微量元素的富集是后期地幔交代作用造成的.Walkeretal.(1989)因此提出了Re亏损模式年龄的概念，即：假定Re全部进入熔体，那么熔体提取后，残余地幔的Re含量就趋近于零式中(187Os/186Os)T地幔=0.805，(187Re/186Os)0地幔=3.15t=T-t1It0T残余地幔假定无Re(187Re/186Os)地幔=3.15t1熔体事件Re亏损模式年龄是熔体提取年龄的最小估计实例2：

Pearsonetal.(1995a)对南非Kaapvaal克拉通上述4个金伯利岩中的24个橄榄岩包体作了研究（其中Os含量0.019~9.20×10-9,3个样品Os<1×10-9;Re含量0.015~1.03×10-9。2个样品Re>0.135×10-9）。23个样品(187Os/188Os)=0.10614~0.12572，低于原始地幔的现在值。包体的Re亏损模式年龄表明该区大陆岩石圈地幔的形成和稳定时间不小于3.5Ga。不同时代金伯利岩中的橄榄岩包体的研究表明该区大陆岩石圈地幔的形成与地幔分异和陆壳形成是同时的。实例3：对西伯利亚克拉通和怀俄明克拉通地幔橄榄岩包体的Re-Os同位素体系研究，获得了两个克拉通地区的大陆岩石圈地幔形成年龄分别是3.2G、(Pearsonetal，1995b)、2.7~2.9Ga(Carlson&Irving1994)，也证明了大陆岩石圈地幔年龄的古老性。实例4：

Olive等(1997)对北Lesotho一个90Ma侵位的小火山角砾岩筒中产出的幔源包体作了详细研究：（1）其中橄榄岩包体和组合包体中的围岩橄榄岩的187Os/188Os=0.1142~0.1245（Os含量0.92~2.90×10-9,Re含量0.l0~0.18×10-9);具有交代矿物组合的橄榄岩脉的187Os/188Os=0.1173，都低于原始地幔的现在值，最老的Re亏损模式年龄2.2Ga，说明了大陆岩石圈地幔的古老性。橄榄岩中的显性地幔交代作用对Re-Os体系无显著影响。（2）其中的辉石岩包体和组合包体中的辉石岩脉的Os含量更低(0.12~0.50×10-9),Re含量较高(0.14~0.75×10-9)，187Os/188Os=0.1521~0.1480，具有明显的富集特征，Re-Os体系的参考等时线年龄为90Ma。说明地幔中熔体迁移堆积相辉石岩脉是在大陆岩石圈地幔形成和稳定以后的地质事件中形成的。187Os/188Os原始值=0.09531,187Re/188Os=0.40186,T为地球形成年龄（4.558×109a）表中：14.6.Pt-Os同位素体系示踪核-幔作用亲铁元素Pt有5个同位素，其中190Pt→186Os+aT1/2=(8.8±0.7)1011al=1.1×10-12a-1(Al-Bataina&Janecke,1987)。由于190Pt是Pt族元素中同位素丰度最低的，约为0.0124%加之其衰变常数小，在自然界岩矿体系中由Pt放射成因的186Os含量极小，精确测定有很大困难。加之Pt元素丰度低，含量测定也很困难，因而对Pt-Os同位素体系做的工作很少。Walker等(1997)改进了分析方法后，对西伯利亚Norli’sk地幔热柱(251Ma)岩石的11个样品测定，得到186Os/188Os-190Pt/188Os等时线，获得190Pt的衰变常数l=1.542×10-12a-1，精度为1%。Walker等(1997)对6个IIA型铁陨石和5个IIB型铁陨石获得186Os/188Os-190Pt/188Os等时线，用衰变常数l=1.542×10-12a-1，计算的年龄为4290±284Ma。说明衰变常数值基本正确。强亲硫元素在外层地核和地幔中的含量反差极大，因此外核物质加入到地幔将引起特征的、地幔本身作用过程不能产生的亲硫元素含量升高。但由此造成的地幔柱强亲硫元素高含量特征，在热柱物质上升侵位和晶体-液体分离过程中，有可能消失而不能保存外核物质加入的记录。液态的外层地核比地幔显著富集Re和Pt、具有很高的Pt/Os和Re/Os比值，由于187Re和190Pt分别衰变为187Os和186Os，因此：外核具有独特的186Os/188Os和187Os/188Os比值都比地幔高的特征。只要1%的外核物质加入到下部地幔中，就会主导该区地幔Os同位素组成，使187Os/188Os、186Os/188Os比值都高！而古老洋壳再循环进入地幔只能产生高187Os/188Os比值，却不能产生高186Os/188Os比值。

因此187Os/188Os、186Os/188Os比值耦合升高可反映有核-幔作用使外核物质加入到了地幔柱中。Os同位素组成不会因晶体-液态分异过程而改变，能够保存下来。前述：强亲硫元素高含量特征，在热柱物质上升侵位和晶体-液体分离过程中，也有可能消失。Brandon等(1999)对夏威夷群岛的MaunaLoa,Loihi和Koolau三处苦橄岩的Re-Os和Pt-Os同位素研究，发现186Os/188Os和187Os/188Os高于球粒陨石型原始地幔，且两者呈正相关。他们认为夏威夷地幔柱来源于地球深部核-幔边界的D”层，可能与小行星类似，0.5%~1%的外核液态金属加入到D”层，然后混合物以地幔柱形式上升，可以解释夏威夷苦橄岩的Re-Os和Pt-Os同位素特征。因此锇同位素组成可以用于区分地幔柱来源的深度，或来源于上地幔底部670km地震波速的不连续面，或来源于核-幔边界层(Brandonetal.，1998;Walkeretal.，1995)。参考：另一个可以用来探测起源于核-幔边界地幔柱的工具是W同位素(ArevaloJr.2008,EPSL)：182Hf→

182W+β

半衰期8.90±0.09Ma(Vockenhuberetal.,2004).

Hf、W都是难熔元素，但地球化学亲缘性不同：在地核形成的还原条件下，Hf呈亲石元素，趋于进入硅酸盐相，而W呈中等亲硫元素。结果金属质地核的Hf/W~0，因此保持了原始的W同位素组成。因182Hf的半衰期很短，故地球中任何的W同位素不均匀性必是继承了太阳系早期最先50Ma（182Hf的寿命期）的历史。地球样品和球粒陨石研究表明地球的地核比地球的硅酸盐亏损2ε单位的182W(Kleineetal.,2002;Schoenbergetal.,2