放射性同位素地球化學(xué)

放射性同位素地球化學(xué)第1頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五提綱放射性同位素地球化學(xué)(下)Sr、Nd、Pb同位素在巖石成因和殼幔演化研究中的應(yīng)用2.1地球的圈層結(jié)構(gòu)（1），地幔的基本組成和結(jié)構(gòu)2.2地球的圈層結(jié)構(gòu)（2），地殼的基本組成和結(jié)構(gòu)2.3幔源巖漿巖組分的差別2.4混合過程的數(shù)學(xué)表達(dá)2.5洋島玄武巖與地幔端元2.6源區(qū)的鑒別2.7怎樣綜合使用同位素地球化學(xué)方法鑒別巖漿來源第2頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2.1地球的圈層結(jié)構(gòu)（1），地幔的基本組成和結(jié)構(gòu)第3頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第4頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五類地行星的形成第5頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五主要隕石類型的相對(duì)含量普通球粒隕石普通球粒隕石第6頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五球粒隕石類的主要特征第7頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五碳質(zhì)球粒隕石組成與太陽光球的組成基本一致第8頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五問題：太陽、球粒隕石、地球的元素豐度異同及其原因？第9頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五地球早期的核幔分離第10頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五地殼地幔地核第11頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五地球各主要圈層的體積和質(zhì)量地殼，0.4%地幔，67.2%地核，32.4%第12頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第13頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第14頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五上地幔的化學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)礦物組成-地幔包體資料二輝橄欖巖第15頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五上地幔的礦物相關(guān)系第16頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五不同深度地幔的礦物組成和密度上地幔下地幔過渡帶軟流圈第17頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五問題：上地幔礦物組成和主元素組成有什么特點(diǎn)？第18頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第19頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五地?；瘜W(xué)：早在60年代，地球化學(xué)家通過對(duì)洋島玄武巖(OIB)的研究，觀察到了地幔的不均一性，而隨后發(fā)現(xiàn)了大洋中脊玄武巖(MORB)與OIB之間存在微量元素和同位素組成上的顯著差別，區(qū)分出了虧損地幔和富集地幔，發(fā)現(xiàn)了地幔存在4個(gè)端元。第20頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五虧損地幔的貢獻(xiàn)－大洋地殼的形成拉斑玄武巖第21頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第22頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五富集地幔的貢獻(xiàn)－大洋島的形成堿性玄武巖第23頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第24頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第25頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五JasonMorgan‘sPlumeModelUpwellingfromthermalboundarylayeratthebaseofthemantle第26頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五再循環(huán)模式RecyclingModel

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

Instabilityofhotboundarylayeratthebaseofthemantle

(orfromthe660kmdiscontinuity).

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

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

(Farnetani&Samuel)第30頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五Plumeexperimentinyourkitchen第31頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五25MajorHotspots第32頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五板塊構(gòu)造與火成巖成因1.洋中脊玄武巖MORB2.陸內(nèi)裂谷3.島弧火山巖IAV、IAB4.活動(dòng)大陸邊緣5.弧后盆地6.洋島玄武巖OIB7.各種陸內(nèi)巖漿活動(dòng)金伯利巖，碳酸鹽巖，斜長巖????600km400200kmContinentalCrustOceanicCrustLithosphericMantleSub-lithosphericMantleSourceofMelts1534672第33頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)代大洋玄武巖可以按照產(chǎn)出的構(gòu)造環(huán)境分為5類1MORB(Mid-OceanRidgeBasalts)，洋殼上部的主體，包括熔巖和巖墻，并代表大洋輝長巖的初始巖漿。2BABB(Back-ArcBasinBasalts)，形成于弧后擴(kuò)張脊?；『笈璧貙挾?0－1000km。3OPB(OceanPlateauBasalts)，發(fā)育于大洋板內(nèi)環(huán)境，形成范圍巨大的、厚的海底熔巖堆積。4OIB(OceanIslandBasalts)，形成海山、大洋島、或島鏈5IAB(IslandArcBasalts)，島弧或Andean型活動(dòng)大陸邊緣*6CTB(ContinentalTholeiiticBasalts)，產(chǎn)生于大陸裂谷早期階段，或形成溢流玄武巖。這類巖石與MORB相似，但穿過大陸地殼并與之反應(yīng)。第34頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五問題：虧損地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？第35頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2.2地球的圈層結(jié)構(gòu)（2），地殼的基本組成和結(jié)構(gòu)第36頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五大陸地殼的9種結(jié)構(gòu)（Vp速度）類型第37頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五大陸地殼的巖石學(xué)結(jié)構(gòu)上部地殼：沉積巖，火山巖中部地殼：變質(zhì)沉積巖，混合巖，花崗巖下地殼：中基性麻粒巖，斜長角閃巖最下地殼：基性麻粒巖，輝長巖，輝石巖第38頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五典型地殼的稀土元素組成第39頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五典型地殼的微量元素組成第40頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五問題：上地殼和下地殼組分差別表現(xiàn)在哪些方面？第41頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2.3幔源巖漿巖的組分差別第42頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五MORB與OIB的微量元素和稀土元素配分型式的差別第43頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五IAV=島弧火山巖OIB=洋島玄武巖Sr同位素Nd同位素MORB洋中脊玄武巖第44頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五幔源巖漿巖Sr-Nd同位素組成的相關(guān)性第45頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五Figure8.18.Pbisotoperatiosinmajorterrestrialreservoirs.Typicallowercontinentalcrustanduppercontinentalcrustarerepresentedbylowercrustalxenolithsandmodernmarinesedimentsrespectively(thesesomewhatunderestimatethetotalvarianceinthesereser-voirs).MORBandoceanicislandsrepresenttheisotopiccompositionofuppermantleanddeepmantlerespectively.主要巖漿巖源區(qū)的Pb同位素組成特征第46頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2.4混合過程的數(shù)學(xué)表達(dá)第47頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五簡單混合模式二元混合三元混合Figure14-5.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第48頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五混合作用普遍存在第49頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五混合過程的定量模型---幔源巖漿受到陸殼混染幔源巖漿mfCmCiC代表元素濃度，如Rb，Sr，Sm，Nd等；R代表同位素比值，如87Sr/86Sr，143Nd/144Nd等。根據(jù)質(zhì)量平衡可得下列方程：

Ci=fCc

+(1-f)CmCi·Ri=fCcRc+(1-f)CmRm陸殼混染c巖漿巖i1-fCcRmRiRc第50頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五第51頁，共85頁，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.),W?rneretal.(1988),Walkeretal.(1991),deSilva(1991),Kayetal.(1991),DavidsonanddeSilva(1992).Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.南美安第斯活動(dòng)大陸邊緣火山巖的Sr-Nd同位素第52頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五通用二元混合方程Vollmer（1976）和Langmuir等（1978）先后給出了二元混合體系微量元素濃度的通用表達(dá)式。該式理論上可適用于任何元素和同位素。對(duì)任何一個(gè)二組份混合體系，其方程為

Ax＋Bxy＋Cy＋D＝0

（5.62）其中x，y是橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)的變量，可以是元素或元素的比值。當(dāng)端元1和端元2上的坐標(biāo)即比值為（x1，y1）（x2，y2）時(shí)系數(shù)可表示為：第53頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五A＝a2b1y2-a1b2y1B＝a1b2－a2b1；

C＝a2b1x1-a1b2x2D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2

r＝a1b2/a2b1，r為與系數(shù)B有關(guān)的數(shù)值，反映了混合雙曲線的曲率，曲率的函數(shù)。當(dāng)r＝1時(shí)為直線方程。

其中，ai為yi的分母值，bi為xi的分母值第54頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五比值-比值，此時(shí)為為一雙曲線，系數(shù)為A＝a2b1y2-a1b2y1B＝a1b2－a2b1r＝a1b2/a2b1C＝a2b1x1-a1b2x2D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2比值-元素，如設(shè)x軸為元素，則b＝1，這時(shí)：

A＝a2y2－a1y1B＝a1－a2

r＝a1/a2C＝a2x1－a1x2D＝a1x2y1－a2x1y1當(dāng)r≠1時(shí)，仍為一條受B控制的雙曲線元素-元素，a＝b＝1，

A＝y(tǒng)2－y1B＝0

r＝1C＝x1－x2D＝x2y1－x1y2此時(shí)，為一直線方程。第55頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五混合作用模型的應(yīng)用判斷混合過程在板塊俯沖帶，地殼與上地幔巖石的氧含量差異不明顯，Sr差別較大。導(dǎo)致源區(qū)混合Sr-O同位素混合軌跡線為下凹型；相反，當(dāng)?shù)蒯２糠秩廴诘膸r漿上升受到地殼混染時(shí)，地殼物質(zhì)的Sr一般低于巖漿，形成上凸型雙曲線。因此可應(yīng)用Sr-O同位素體系有效判斷混合過程。第56頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2.5洋島玄武巖與地幔端元第57頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五為什么研究大洋玄武巖在巖漿發(fā)生和侵位結(jié)晶過程中，Sr、Nd、Pb等放射性同位素組成不受部分熔融和分離結(jié)晶作用的影響，因此反映源區(qū)特征洋島玄武巖類(OIBs)代表各類大洋地幔，并且地殼混染的影響很小，因此可以對(duì)地幔性質(zhì)提供最好的證據(jù)第58頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五大量的MORB和OIB同位素組成調(diào)查顯示，并不存在簡單的二元混合關(guān)系第59頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五Zindler等(1982)提出，由虧損MORB、含富集物質(zhì)的MORB及初始(pristinechondritic)地幔代表的三個(gè)地幔端元，其混合作用構(gòu)成了大洋環(huán)境玄武巖的巖漿源區(qū)。該三端元在Nd-Sr-Pb同位素體系中構(gòu)成的面，稱為地幔平面(mantleplane)。但White(1985)發(fā)現(xiàn)，在地幔平面之上或之下均存在其它的大洋環(huán)境玄武巖分布。地幔平面第60頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五Hart等(1986)認(rèn)為，地幔平面只是地幔端元混合的一個(gè)投影面。通過對(duì)大量MORB和OIB的Nd-Sr和Pb-Sr同位素組成分析，確定出四個(gè)地幔端元，分別為DMM(洋中脊虧損地幔端元)、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，將Nd-Sr圖中低143Nd/144Nd的邊界稱為“低Nd分布(‘LoNdarray’)”，代表了HIMU與EMI地幔端元間的混合分布。由于低Nd分布表現(xiàn)為混合直線，說明混合端元間具相似的Nd-Sr-Pb比值和密切相關(guān)的成因環(huán)境，因此變種關(guān)系不象是循環(huán)地殼與地幔端元間的關(guān)系，而應(yīng)與大陸巖石圈地幔的發(fā)生過交代富集事件有關(guān)。第61頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五在二維同位素體系中，顯示出了多地幔端元組成及低Nd分布現(xiàn)象第62頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五Sr-Pb體系中的地幔端元第63頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五Sr-Nd體系中的地幔端元第64頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五為避免二維同位素組成對(duì)判別地幔端元可能帶來的主觀偏差，Allegre等(1987)和Hart等(1992)對(duì)大量BORB和OIB的87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb進(jìn)行了主成分分析(principlecomponentanalysis)，獲得了5個(gè)特征向量，表征能體現(xiàn)數(shù)據(jù)變化量最大百分比例的多維組份空間的方向，其數(shù)值分別為56、37、4、2和1%。由于前三個(gè)向量的總和為>97%，故Hart等認(rèn)為，用87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb三個(gè)向量在三維同位素體系中可近似地表達(dá)MORB-OIB的特征向量的方向，即在以DMM、HIMU、EMI和EMII端元在上述三維同位素空間中組成的四面體，包含了>97%的大洋環(huán)境玄武巖的同位素組成范圍。第65頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五地幔端元四面體，按樣品點(diǎn)統(tǒng)計(jì)第66頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五地幔端元四面體，按研究地區(qū)統(tǒng)計(jì)。圖中顯示各地區(qū)OIB呈以DMM與其它三端元的混合。但Hart等認(rèn)為是以FOZO為中心的混合，代表了下地幔端元。第67頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五三維同位素體系中的地幔產(chǎn)端元四面體(彩圖)第68頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五地幔端元的成因認(rèn)識(shí)地幔端元的劃分，其實(shí)質(zhì)是對(duì)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質(zhì)洋殼，其熔融殘余演化成不相容元素虧損的上地幔端元DMM；富集地幔端元的形成顯然需要有巖石圈物質(zhì)再循環(huán)作用或流體物質(zhì)交代作用的參與。第69頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五1)HIMU端元多數(shù)研究者將HIMU的形成歸咎于俯沖洋殼，但對(duì)U/Pb比值增高的原因仍不明確。觀點(diǎn)之一：俯沖過程中因洋殼物質(zhì)發(fā)生脫水作用，鈾呈+4價(jià)保持穩(wěn)定，而Pb活化帶出，使俯沖洋殼值增高，該認(rèn)識(shí)得到島弧火山巖Pb/U比值高出MORB約一個(gè)數(shù)量級(jí)和島弧成因硫化物礦床中方鉛礦表現(xiàn)為高度均一化的整合鉛等證據(jù)的支持。此外，發(fā)生過高U/Pb比值的交代富集作用的俯沖大洋巖石圈、大陸巖石圈拆沉作用也被作為形成HIMU端元的可能成因。第70頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2)EMII端元對(duì)EMII地幔端元成因的認(rèn)識(shí)基本一致，即由于俯沖的大陸碎屑物質(zhì)加入所致，因?yàn)樵摱嗽梦挥谔潛p地幔與大洋沉積物的混合線上。第71頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五3)EMI端元部分研究者將EMI的形成也與再循環(huán)的沉積物聯(lián)系，即由大洋泥質(zhì)沉積物為主而區(qū)別于以陸源碎屑為主的EMII；但多數(shù)研究者趨向于認(rèn)同，發(fā)生過交代作用的巖石圈再循環(huán)作用是主要成因，而發(fā)生再循環(huán)作用的方式來自大陸克拉通邊緣的大陸巖石圈俯沖作用。第72頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五EMI、EMII、HIMU端元成因示意圖第73頁，共85頁，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，虧損不相容元素，代表地殼從地幔分異后的殘留物HIMU，地幔與再循環(huán)洋殼的混合，由于洋低熱液作用或俯沖帶的脫水作用，造成Pb的流失和m值升高EMI和EMII可能分別來自地幔與下地殼和上地殼的混合第74頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2.6源區(qū)的鑒別第75頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五1.DM(虧損地幔)=N-MORB源區(qū)Figure14-6.AfterZindlerandHart(1986),Staudigeletal.(1984),Hamelinetal.(1986)andWilson(1989).第76頁，共85頁，2023年，2月20日，星期五2.BSE(BulkSilicateEarth)總體硅酸鹽地球或原始均一庫＝CHURFigure14-6.AfterZindlerandHart(1986),Staudigeletal