高溫過程中的Cr同位素分餾：對地球形成和演化的制約

1、高溫過程中的Cr同位素分餾：對地球形成和演化的制約近年來，隨著分析技術(shù)的發(fā)展和分析精度的不斷提高，大量非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位 素體系被逐步建立并應(yīng)用于各地質(zhì)過程研究中。從太陽系起源和星云演化到地球 形成和演化，再到微生物的生命活動等研究工作中，非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素體系顯示 了巨大的作用和應(yīng)用前景。Cr作為過渡金屬元素，是除主量元素以外豐度最高的 元素之一，在自然界中廣泛存在。目前,Cr同位素的研究主要應(yīng)用于太陽系早期 定年，星云演化等宇宙化學(xué)研究，及古環(huán)境的氧化還原演化等低溫地球化學(xué)中。前人研究發(fā)現(xiàn)，硅酸鹽地球和月球相對于球粒隕石虧損Cr。而根據(jù)近年來高 溫高壓實驗巖石學(xué)的研究,Cr的親鐵性隨溫度的升高和

2、氧逸度的降低而增強(qiáng)，在 一定的溫壓、氧逸度條件下,60%的Cr分配進(jìn)入地核，從而造成目前硅酸鹽地 球相對虧損Cr。同時,Cr是一個變價元素，在硅酸鹽中主要以+2和+3價存在，而 在金屬地核中則以0價存在。根據(jù)同位素分餡理論，同一元素的不同價態(tài)間可能 存在顯著的同位素分餡。因此,Cr同位素可能具有制約地球核幔分異過程的潛力。但是，目前高溫Cr 同位素研究存在的主要問題是：（1）對于硅酸鹽地球的Cr同位素組成制約工作還 比較缺乏；（2）對于高溫地質(zhì)過程（如部分熔融和巖漿演化）中的Cr同位素分餡及 其機(jī)制還沒有系統(tǒng)的研究；（3）地球上大部分的Cr可能儲存在地核中，但缺乏對 地核的Cr同位素組成的制約

3、；（4）缺少高溫實驗中不同條件下金屬相和硅酸鹽相 之間的Cr同位素分餡的研究，對地球核幔分異過程中可能發(fā)生的Cr同位素分餡 還不清楚。針對上述問題，本論文首先用雙稀釋劑法對來自不同地質(zhì)背景的地幔 捕擄體的Cr同位素組成進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對于不同類型的地幔捕擄體（尖晶二 輝橄欖巖，石榴二輝橄欖巖，方輝橄欖巖，輝石巖）的分析結(jié)果顯示,地幔捕擄體的 Cr 同位素組成極其不均一,0 53CrNIST979 從-l.360.04%（2SD）到+0.75 + 0.05%（2SD）。其中，新鮮的正常地幔橄欖巖（Al2O34.5wt.%,沒有經(jīng)歷過明顯的交代作 用）的。53Cr隨全巖CaO和Al2O3含量的升

4、高而降低，指示部分熔融過程中可能 存在一定的Cr同位素分餡。通過分離和批式熔融模擬發(fā)現(xiàn)，部分來自外蒙古的樣 品Cr同位素組成不能用部分熔融解釋,可能還存在動力學(xué)過程導(dǎo)致較大的Cr同 位素的分餡。交代過程中，由于熔體與橄欖巖間存在Cr含量的不平衡,Cr從地幔 橄欖巖向熔體擴(kuò)散，產(chǎn)生了具有極低Cr同位素組成的熔體巖脈(低至-1.36土 0.04%。)和偏高Cr同位素組成的橄欖巖(高至+0.750.05%o)?？紤]到部分熔融, 交代作用及后期蝕變均可能改變地幔橄欖巖的Cr同位素組成，我們選取了飽滿 或接近飽滿的地幔橄欖巖來計算地幔的平均Cr同位素組成，得到的上地幔平均 的0 53Cr為-0.14 0

5、.12%(2SD),與前人得到的硅酸鹽地球的Cr同位素 (-0.120.10%o)組成一致。為了進(jìn)一步研究巖漿演化過程中的Cr同位素分餾行為，我們對夏威夷玄武 巖的Cr同位素進(jìn)行了系統(tǒng)的測量。結(jié)果顯示，MaunaKea和Koolau的樣品Cr同 位素組成相對均一，且兩者的平均組成在誤差范圍內(nèi)一致,指示海水蝕變及源區(qū) 再循環(huán)物質(zhì)的加入沒有明顯改變夏威夷洋島玄武巖的Cr同位素組成。Kilauea Iki的樣品則顯示一定的Cr同位素變化,0 53Cr從-0.180.04% (2SD)to0土 0.04% (2SD),且與全巖MgO, FeOtot及Cr含量正相關(guān)，與SiO2,CaO和Al2O3含 量

6、等負(fù)相關(guān)。這些相關(guān)關(guān)系主要反映了巖漿演化過程中含有較重Cr同位素組成 的銘鐵礦與橄欖石一起堆晶的過程，表明在銘鐵礦的分離結(jié)晶過程中存在明顯的 Cr同位素分餾。通過混合模型計算，我們得到銘鐵礦與熔體間的平衡分餾系數(shù) (A53Crchr-melt)為0.05%到0.20%,擬合最好的分餾系數(shù)為0.10%。這一結(jié)果 與前人對月球玄武巖的研究結(jié)果相似，指示在不同的氧逸度條件下(IW-2到FMQ 或更高，IW: iron-wiistite 緩沖對，F(xiàn)MQ: fayalite-magnetite-quartz 緩沖體 系)，銘鐵礦的結(jié)晶過程中均會在一定程度上富集重的Cr同位素，這可能是由于 在這一氧逸度范

7、圍內(nèi),Cr在熔體中同時以Cr2+和Cr3+的形式存在,而銘鐵礦結(jié)晶 過程中更傾向于富集Cr3+造成的。大部分分異的硅酸鹽隕石的氧逸度在月球和 地球表層巖石之間，這意味著在其他星體的巖漿演化過程中可能也存在一定的 Cr同位素分餾，在確定其他分異星體如火星和灶神星硅酸鹽的Cr同位素組成是 需要考慮巖漿演化的影響。受銘鐵礦結(jié)晶分異影響比較小的夏威夷玄武巖的平均 0 53Cr為-0.170.05%(2SD),與地幔橄欖巖在誤差范圍內(nèi)一致,但可能整體略 偏輕。在確定了地球硅酸鹽的Cr同位素組成的基礎(chǔ)上，本論文還對代表小行星分 異后核部的鐵隕石的Cr同位素組成和高溫條件下金屬相和硅酸鹽相之間的Cr 同位素

8、分餾進(jìn)行了研究。對鐵隕石的研究結(jié)果顯示,代表行星核部的鐵隕石整體 具有較重的 Cr 同位素組成,0 53Cr 從+0.86 土 0.05%。(2SD)到+2.05 土 0.04%。 (2SD),遠(yuǎn)高于球粒隕石(-0.11 0.10%,2SD),且同組鐵隕石雖然具有不同的非 質(zhì)量相關(guān)分餾 53Cr和 54Cr值，但具有相似的穩(wěn)定Cr同位素組成。通過活塞 圓筒壓機(jī),我們對1800C, 1GPa條件下，不同組成的硅酸鹽和金屬相之間的Cr 同位素分餾進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,Fe-Ni金屬和原始地幔橄欖巖組成的硅酸鹽 間存在系統(tǒng)的的Cr同位素分餾，且金屬相Cr同位素相對硅酸鹽相偏重,兩相間 Cr 同位素的

9、分餾值53CrM-s (53CrM-S=0 53CrMetal-0 53CrSilicate) 為：+0.080.04%(2SD)。改變硅酸鹽的物質(zhì)組成后，我們發(fā)現(xiàn)53CrM-S的值也會有一定的改變，整 體上隨金屬相Ni含量和體系氧逸度的升高而升高。據(jù)此，我們將Cr在金屬和硅 酸鹽間的分配系數(shù)模型和分餾系數(shù)相結(jié)合，對不同溫度、壓力和氧逸度條件下， 金屬和硅酸鹽相中的Cr含量及同位素組成進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，即使在比較氧 化的實驗條件下(IW-1.2)，核幔分異產(chǎn)生的Cr同位素分餾也不能完全解釋鐵隕 石重的Cr同位素組成。鐵隕石重的Cr同位素組成可能指示小行星核形成后的結(jié) 晶分異過程中存在顯著的Cr同位素分餾。對地核而言，如果地核增生是從還原到氧化，那么地核的Cr同位素組成與硅 酸鹽地球相似;如果地核增生是從氧化到還原，那么，地核的Cr同位素組成可能 比硅酸鹽地球偏重。兩種情況下，硅酸鹽地球的Cr同位素組成都與球粒隕石相似， 這與目前的測量