放射性同位素地球化学

放射性同位素地球化学第1页，共85页，2023年，2月20日，星期五提纲放射性同位素地球化学(下)Sr、Nd、Pb同位素在岩石成因和壳幔演化研究中的应用2.1地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构2.2地球的圈层结构（2），地壳的基本组成和结构2.3幔源岩浆岩组分的差别2.4混合过程的数学表达2.5洋岛玄武岩与地幔端元2.6源区的鉴别2.7怎样综合使用同位素地球化学方法鉴别岩浆来源第2页，共85页，2023年，2月20日，星期五2.1地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构第3页，共85页，2023年，2月20日，星期五第4页，共85页，2023年，2月20日，星期五类地行星的形成第5页，共85页，2023年，2月20日，星期五主要陨石类型的相对含量普通球粒陨石普通球粒陨石第6页，共85页，2023年，2月20日，星期五球粒陨石类的主要特征第7页，共85页，2023年，2月20日，星期五碳质球粒陨石组成与太阳光球的组成基本一致第8页，共85页，2023年，2月20日，星期五问题：太阳、球粒陨石、地球的元素丰度异同及其原因？第9页，共85页，2023年，2月20日，星期五地球早期的核幔分离第10页，共85页，2023年，2月20日，星期五地壳地幔地核第11页，共85页，2023年，2月20日，星期五地球各主要圈层的体积和质量地壳，0.4%地幔，67.2%地核，32.4%第12页，共85页，2023年，2月20日，星期五第13页，共85页，2023年，2月20日，星期五第14页，共85页，2023年，2月20日，星期五上地幔的化学和标准矿物组成-地幔包体资料二辉橄榄岩第15页，共85页，2023年，2月20日，星期五上地幔的矿物相关系第16页，共85页，2023年，2月20日，星期五不同深度地幔的矿物组成和密度上地幔下地幔过渡带软流圈第17页，共85页，2023年，2月20日，星期五问题：上地幔矿物组成和主元素组成有什么特点？第18页，共85页，2023年，2月20日，星期五第19页，共85页，2023年，2月20日，星期五地幔化学：早在60年代，地球化学家通过对洋岛玄武岩(OIB)的研究，观察到了地幔的不均一性，而随后发现了大洋中脊玄武岩(MORB)与OIB之间存在微量元素和同位素组成上的显著差别，区分出了亏损地幔和富集地幔，发现了地幔存在4个端元。第20页，共85页，2023年，2月20日，星期五亏损地幔的贡献－大洋地壳的形成拉斑玄武岩第21页，共85页，2023年，2月20日，星期五第22页，共85页，2023年，2月20日，星期五富集地幔的贡献－大洋岛的形成碱性玄武岩第23页，共85页，2023年，2月20日，星期五第24页，共85页，2023年，2月20日，星期五第25页，共85页，2023年，2月20日，星期五JasonMorgan‘sPlumeModelUpwellingfromthermalboundarylayeratthebaseofthemantle第26页，共85页，2023年，2月20日，星期五再循环模式RecyclingModel

(Hofmann&White,1982)Whole-mantleconvectionwithoceaniccrust+lithosphererecyclinginplumes第27页，共85页，2023年，2月20日，星期五Mantleplumedynamicsiswellunderstood:

Instabilityofhotboundarylayeratthebaseofthemantle

(orfromthe660kmdiscontinuity).

Hot,lowdensitymateralrisesinanarrowcylinder,typicallyformingalarge„mushroomhead“asitrises.第28页，共85页，2023年，2月20日，星期五PlumeDynamics

(Lin&vanKeken)第29页，共85页，2023年，2月20日，星期五Thermo-chemicalPlumes

(Farnetani&Samuel)第30页，共85页，2023年，2月20日，星期五Plumeexperimentinyourkitchen第31页，共85页，2023年，2月20日，星期五25MajorHotspots第32页，共85页，2023年，2月20日，星期五板块构造与火成岩成因1.洋中脊玄武岩MORB2.陆内裂谷3.岛弧火山岩IAV、IAB4.活动大陆边缘5.弧后盆地6.洋岛玄武岩OIB7.各种陆内岩浆活动金伯利岩，碳酸盐岩，斜长岩????600km400200kmContinentalCrustOceanicCrustLithosphericMantleSub-lithosphericMantleSourceofMelts1534672第33页，共85页，2023年，2月20日，星期五现代大洋玄武岩可以按照产出的构造环境分为5类1MORB(Mid-OceanRidgeBasalts)，洋壳上部的主体，包括熔岩和岩墙，并代表大洋辉长岩的初始岩浆。2BABB(Back-ArcBasinBasalts)，形成于弧后扩张脊。弧后盆地宽度60－1000km。3OPB(OceanPlateauBasalts)，发育于大洋板内环境，形成范围巨大的、厚的海底熔岩堆积。4OIB(OceanIslandBasalts)，形成海山、大洋岛、或岛链5IAB(IslandArcBasalts)，岛弧或Andean型活动大陆边缘*6CTB(ContinentalTholeiiticBasalts)，产生于大陆裂谷早期阶段，或形成溢流玄武岩。这类岩石与MORB相似，但穿过大陆地壳并与之反应。第34页，共85页，2023年，2月20日，星期五问题：亏损地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？第35页，共85页，2023年，2月20日，星期五2.2地球的圈层结构（2），地壳的基本组成和结构第36页，共85页，2023年，2月20日，星期五大陆地壳的9种结构（Vp速度）类型第37页，共85页，2023年，2月20日，星期五大陆地壳的岩石学结构上部地壳：沉积岩，火山岩中部地壳：变质沉积岩，混合岩，花岗岩下地壳：中基性麻粒岩，斜长角闪岩最下地壳：基性麻粒岩，辉长岩，辉石岩第38页，共85页，2023年，2月20日，星期五典型地壳的稀土元素组成第39页，共85页，2023年，2月20日，星期五典型地壳的微量元素组成第40页，共85页，2023年，2月20日，星期五问题：上地壳和下地壳组分差别表现在哪些方面？第41页，共85页，2023年，2月20日，星期五2.3幔源岩浆岩的组分差别第42页，共85页，2023年，2月20日，星期五MORB与OIB的微量元素和稀土元素配分型式的差别第43页，共85页，2023年，2月20日，星期五IAV=岛弧火山岩OIB=洋岛玄武岩Sr同位素Nd同位素MORB洋中脊玄武岩第44页，共85页，2023年，2月20日，星期五幔源岩浆岩Sr-Nd同位素组成的相关性第45页，共85页，2023年，2月20日，星期五Figure8.18.Pbisotoperatiosinmajorterrestrialreservoirs.Typicallowercontinentalcrustanduppercontinentalcrustarerepresentedbylowercrustalxenolithsandmodernmarinesedimentsrespectively(thesesomewhatunderestimatethetotalvarianceinthesereser-voirs).MORBandoceanicislandsrepresenttheisotopiccompositionofuppermantleanddeepmantlerespectively.主要岩浆岩源区的Pb同位素组成特征第46页，共85页，2023年，2月20日，星期五2.4混合过程的数学表达第47页，共85页，2023年，2月20日，星期五简单混合模式二元混合三元混合Figure14-5.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第48页，共85页，2023年，2月20日，星期五混合作用普遍存在第49页，共85页，2023年，2月20日，星期五混合过程的定量模型---幔源岩浆受到陆壳混染幔源岩浆mfCmCiC代表元素浓度，如Rb，Sr，Sm，Nd等；R代表同位素比值，如87Sr/86Sr，143Nd/144Nd等。根据质量平衡可得下列方程：

Ci=fCc

+(1-f)CmCi·Ri=fCcRc+(1-f)CmRm陆壳混染c岩浆岩i1-fCcRmRiRc第50页，共85页，2023年，2月20日，星期五第51页，共85页，2023年，2月20日，星期五Srvs.NdisotopicratiosforthethreezonesoftheAndes.DatafromJamesetal.(1976),Hawkesworthetal.(1979),James(1982),Harmonetal.(1984),Freyetal.(1984),Thorpeetal.(1984),Hickeyetal.(1986),HildrethandMoorbath(1988),Geist(m),Davidson(m.),Wörneretal.(1988),Walkeretal.(1991),deSilva(1991),Kayetal.(1991),DavidsonanddeSilva(1992).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.南美安第斯活动大陆边缘火山岩的Sr-Nd同位素第52页，共85页，2023年，2月20日，星期五通用二元混合方程Vollmer（1976）和Langmuir等（1978）先后给出了二元混合体系微量元素浓度的通用表达式。该式理论上可适用于任何元素和同位素。对任何一个二组份混合体系，其方程为

Ax＋Bxy＋Cy＋D＝0

（5.62）其中x，y是横坐标、纵坐标的变量，可以是元素或元素的比值。当端元1和端元2上的坐标即比值为（x1，y1）（x2，y2）时系数可表示为：第53页，共85页，2023年，2月20日，星期五A＝a2b1y2-a1b2y1B＝a1b2－a2b1；

C＝a2b1x1-a1b2x2D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2

r＝a1b2/a2b1，r为与系数B有关的数值，反映了混合双曲线的曲率，曲率的函数。当r＝1时为直线方程。

其中，ai为yi的分母值，bi为xi的分母值第54页，共85页，2023年，2月20日，星期五比值-比值，此时为为一双曲线，系数为A＝a2b1y2-a1b2y1B＝a1b2－a2b1r＝a1b2/a2b1C＝a2b1x1-a1b2x2D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2比值-元素，如设x轴为元素，则b＝1，这时：

A＝a2y2－a1y1B＝a1－a2

r＝a1/a2C＝a2x1－a1x2D＝a1x2y1－a2x1y1当r≠1时，仍为一条受B控制的双曲线元素-元素，a＝b＝1，

A＝y2－y1B＝0

r＝1C＝x1－x2D＝x2y1－x1y2此时，为一直线方程。第55页，共85页，2023年，2月20日，星期五混合作用模型的应用判断混合过程在板块俯冲带，地壳与上地幔岩石的氧含量差异不明显，Sr差别较大。导致源区混合Sr-O同位素混合轨迹线为下凹型；相反，当地幔部分熔融的岩浆上升受到地壳混染时，地壳物质的Sr一般低于岩浆，形成上凸型双曲线。因此可应用Sr-O同位素体系有效判断混合过程。第56页，共85页，2023年，2月20日，星期五2.5洋岛玄武岩与地幔端元第57页，共85页，2023年，2月20日，星期五为什么研究大洋玄武岩在岩浆发生和侵位结晶过程中，Sr、Nd、Pb等放射性同位素组成不受部分熔融和分离结晶作用的影响，因此反映源区特征洋岛玄武岩类(OIBs)代表各类大洋地幔，并且地壳混染的影响很小，因此可以对地幔性质提供最好的证据第58页，共85页，2023年，2月20日，星期五大量的MORB和OIB同位素组成调查显示，并不存在简单的二元混合关系第59页，共85页，2023年，2月20日，星期五Zindler等(1982)提出，由亏损MORB、含富集物质的MORB及初始(pristinechondritic)地幔代表的三个地幔端元，其混合作用构成了大洋环境玄武岩的岩浆源区。该三端元在Nd-Sr-Pb同位素体系中构成的面，称为地幔平面(mantleplane)。但White(1985)发现，在地幔平面之上或之下均存在其它的大洋环境玄武岩分布。地幔平面第60页，共85页，2023年，2月20日，星期五Hart等(1986)认为，地幔平面只是地幔端元混合的一个投影面。通过对大量MORB和OIB的Nd-Sr和Pb-Sr同位素组成分析，确定出四个地幔端元，分别为DMM(洋中脊亏损地幔端元)、EMI和EMII(富集I和富集II型地幔端元)及HIUM(高U/Pb地幔端元)。其中，将Nd-Sr图中低143Nd/144Nd的边界称为“低Nd分布(‘LoNdarray’)”，代表了HIMU与EMI地幔端元间的混合分布。由于低Nd分布表现为混合直线，说明混合端元间具相似的Nd-Sr-Pb比值和密切相关的成因环境，因此变种关系不象是循环地壳与地幔端元间的关系，而应与大陆岩石圈地幔的发生过交代富集事件有关。第61页，共85页，2023年，2月20日，星期五在二维同位素体系中，显示出了多地幔端元组成及低Nd分布现象第62页，共85页，2023年，2月20日，星期五Sr-Pb体系中的地幔端元第63页，共85页，2023年，2月20日，星期五Sr-Nd体系中的地幔端元第64页，共85页，2023年，2月20日，星期五为避免二维同位素组成对判别地幔端元可能带来的主观偏差，Allegre等(1987)和Hart等(1992)对大量BORB和OIB的87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb进行了主成分分析(principlecomponentanalysis)，获得了5个特征向量，表征能体现数据变化量最大百分比例的多维组份空间的方向，其数值分别为56、37、4、2和1%。由于前三个向量的总和为>97%，故Hart等认为，用87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb三个向量在三维同位素体系中可近似地表达MORB-OIB的特征向量的方向，即在以DMM、HIMU、EMI和EMII端元在上述三维同位素空间中组成的四面体，包含了>97%的大洋环境玄武岩的同位素组成范围。第65页，共85页，2023年，2月20日，星期五地幔端元四面体，按样品点统计第66页，共85页，2023年，2月20日，星期五地幔端元四面体，按研究地区统计。图中显示各地区OIB呈以DMM与其它三端元的混合。但Hart等认为是以FOZO为中心的混合，代表了下地幔端元。第67页，共85页，2023年，2月20日，星期五三维同位素体系中的地幔产端元四面体(彩图)第68页，共85页，2023年，2月20日，星期五地幔端元的成因认识地幔端元的划分，其实质是对富集地幔端元(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质洋壳，其熔融残余演化成不相容元素亏损的上地幔端元DMM；富集地幔端元的形成显然需要有岩石圈物质再循环作用或流体物质交代作用的参与。第69页，共85页，2023年，2月20日，星期五1)HIMU端元多数研究者将HIMU的形成归咎于俯冲洋壳，但对U/Pb比值增高的原因仍不明确。观点之一：俯冲过程中因洋壳物质发生脱水作用，铀呈+4价保持稳定，而Pb活化带出，使俯冲洋壳值增高，该认识得到岛弧火山岩Pb/U比值高出MORB约一个数量级和岛弧成因硫化物矿床中方铅矿表现为高度均一化的整合铅等证据的支持。此外，发生过高U/Pb比值的交代富集作用的俯冲大洋岩石圈、大陆岩石圈拆沉作用也被作为形成HIMU端元的可能成因。第70页，共85页，2023年，2月20日，星期五2)EMII端元对EMII地幔端元成因的认识基本一致，即由于俯冲的大陆碎屑物质加入所致，因为该端元正好位于亏损地幔与大洋沉积物的混合线上。第71页，共85页，2023年，2月20日，星期五3)EMI端元部分研究者将EMI的形成也与再循环的沉积物联系，即由大洋泥质沉积物为主而区别于以陆源碎屑为主的EMII；但多数研究者趋向于认同，发生过交代作用的岩石圈再循环作用是主要成因，而发生再循环作用的方式来自大陆克拉通边缘的大陆岩石圈俯冲作用。第72页，共85页，2023年，2月20日，星期五EMI、EMII、HIMU端元成因示意图第73页，共85页，2023年，2月20日，星期五地幔端元的特征DMM，一般在地幔的最上部，亏损不相容元素，代表地壳从地幔分异后的残留物HIMU，地幔与再循环洋壳的混合，由于洋低热液作用或俯冲带的脱水作用，造成Pb的流失和m值升高EMI和EMII可能分别来自地幔与下地壳和上地壳的混合第74页，共85页，2023年，2月20日，星期五2.6源区的鉴别第75页，共85页，2023年，2月20日，星期五1.DM(亏损地幔)=N-MORB源区Figure14-6.AfterZindlerandHart(1986),Staudigeletal.(1984),Hamelinetal.(1986)andWilson(1989).第76页，共85页，2023年，2月20日，星期五2.BSE(BulkSilicateEarth)总体硅酸盐地球或原始均一库＝CHURFigure14-6.AfterZindlerandHart(1986),Staudigeletal