放射性同位素地球化学2011(下)

中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院研究生院2011年放射性同位素地球化学(下)提纲放射性同位素地球化学(下)Sr,Nd,Pb,Os,Hf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），地壳的基本结构和组成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同位素示踪研究的基本思路广义：建立壳幔物质的继承演化关系狭义：确定岩浆的物质来源手段：同位素、微量元素展开背景：（1）地幔地球化学性质的差异，DM-EMI-EMII-HIMU-SCLM（2）上下地壳地球化学性质差异显著，LC-UC（3）深海沉积物、地外物质等，具有特殊地球化学性质（4）不同的古老大陆，形成历史不同在太阳系类地行星中，只有地球，形成45亿年来，没有停止演化，从内到外物质和能量的交换，从未停止，内部一直保持活力，而且发展出成熟的板块构造地球内部系统DynamicEarth行星的形成主要陨石类型的相对含量普通球粒陨石普通球粒陨石球粒陨石与其他类型陨石的本质区别何在？球粒陨石是石陨石的一种，它没有遭遇过母天体的熔融或地质分异，因此结构没有改变过。几乎所有球粒陨石均含有毫米大小，称为“球粒”的球形岩石太阳系的元素丰度（Si=106）H=2.79×1010，He=2.72×109O=2.38×107，C=1.01×107C碳质球粒陨石组成与太阳光球的组成基本一致原始地幔组成与碳质球粒陨石组成的比值问题：1.太阳中有Fe吗？2.太阳、球粒陨石、地球的元素丰度异同及其原因？2.1地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构地球早期的核幔分离地壳地幔地核地球各主要圈层的体积和质量地壳，0.4%地幔，67.2%(三分之二)地核，32.4%(三分之一)质量百分比：地幔橄榄岩包体太行山南部—鹤壁地幔橄榄岩包体河北张家口大麻坪二辉橄榄岩上地幔的化学和标准矿物组成-地幔包体资料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软流圈和岩石圈深度的地幔矿物组合及相变关系斜长石尖晶石石榴石二辉橄榄岩本质：Al晶体结构位置随压力和温度改变问题：上地幔矿物组成和主元素组成有什么特点？亏损地幔的贡献－大洋地壳的形成拉斑玄武岩富集地幔的贡献－大洋岛的形成碱性玄武岩60¡40¡20¡160¡160¡AlaskaKamtschatkaNorthAmericaPACIFICOCEAN140¡120¡180¡HawaiiHonolulu70422820055Mio.Y.J.Morgan‘sPlumeModel(1971)Deepmantleplumes[Morgan,1971]wereproposedin1971toexplain:•intraplatevolcanism,andunusuallylarge-volumevolcanismonspreadingplateboundaries(“hotspots”),•time-progressivevolcanicchains,and•theapparentrelativefixityofthese“hotspots”.再循环模式RecyclingModel(Hofmann&White,1982)Whole-mantleconvectionwithoceaniccrust+lithosphererecyclinginplumes地幔柱的下降与上升(局部)FromMaruyama,2002地幔柱的下降与上升(现代全球)whole-mantleconvectionFromMaruyama,200225MajorHotspots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。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玄武岩分类：依据地幔源区地幔化学：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。问题：亏损地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？2.2地球的圈层结构（2），地壳的基本结构和组成大陆地壳的9种结构（Vp速度）类型中国不同构造单元地壳的结构(Vp速度)中国东部地壳的平均速度结构（Vp）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，辉石岩大别山造山带地壳速度结构（王椿镛等，1997）460km480kmAlpsorogenUralorogen大别山造山带300Km世界著名造山带地壳断面对比图华北克拉通中部地壳速度结构ZhengTYetal.,2009,Geology大陆上地壳的组成大陆下地壳的主元素组成典型地壳的稀土元素组成典型地壳的微量元素组成问题：1.上、下地壳组分差别表现在哪些方面？2.上、下地壳的Rb/Sr,Sm/Nd,U/Pb,Th/Pb,Lu/Hf比值有什么差别？Rb/SrSm/NdU/PbLu/HfRe/Os上地壳很高下地壳最低古陆地壳岩石圈地幔最低软流圈地幔最低最高最高EMI很低EMIIHIMU最高2.3幔源岩浆岩的组分差别MORB与OIB的微量元素和稀土元素配分型式的差别问题：1.稀土元素和不相容元素配分型式是否可以揭示玄武岩来自亏损地幔还是富集地幔？2.MORB与OIB的Rb/Sr,Sm/Nd比值有什么差别？IAV=岛弧火山岩OIB=洋岛玄武岩Sr同位素Nd同位素MORB洋中脊玄武岩幔源岩浆岩Sr-Nd同位素组成的相关性Figure8.18.Pbisotoperatiosinmajorterrestrialreservoirs.Typicallowercontinentalcrustanduppercontinentalcrustarerepresentedbylowercrustalxenolithsandmodernmarinesedimentsrespectively(thesesomewhatunderestimatethetotalvarianceinthesereser-voirs).MORBandoceanicislandsrepresenttheisotopiccompositionofuppermantleanddeepmantlerespectively.主要岩浆岩源区的Pb同位素组成特征2.4混合过程的数学表达简单混合模式二元混合三元混合Figure14-5.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.混合作用普遍存在混合过程的定量模型（以幔源岩浆受到陆壳混染为例）幔源岩浆mfoC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。o根据质量平衡可得下列方程：Ci=fCc+(1-f)CmCi·Ri=fCc·Rc+(1-f)Cm·Rm陆壳混染c岩浆岩i1-fCcRcCmCiRmRiMORB类型岩浆，受到陆壳混染，Sr、Nd同位素变化MORB类型岩浆mfCmCio得到质量平衡方程：CiSr=fCcSr+(1-f)CmSrCiSr·RiSr=fCcSr·RcSr+(1-f)CmSr·RmSr陆壳混染c研究对象岩浆岩i（受混染岩浆）1-fCcRmRiRcCiNd=fCcNd+(1-f)CmNdCiNd·RiNd=fCcNd·RcNd+(1-f)CmNd·RmNdo4个方程，5个未知数。MORB岩浆及混染地壳的Sr,Nd含量和比值为已知CiSr=fCcSr+(1-f)CmSrCiSr·RiSr=fCcSrRcSr+(1-f)CmSrRmSrCiNd=fCcNd+(1-f)CmNdCiNd·RiSr=fCcNdRcNd+(1-f)CmNdRmNdo给定任意一个f，可以计算出受混染岩浆的Sr,Nd含量和比值CiSr、CiSr、RiSr、RiNdo取RiSr=87Sr/86Sr为横坐标，RiNd=143Nd/144Nd为纵坐标，可以得到混合线，如下图：o关注：受混染岩浆的RiSr、RiNd与混染程度f的关系Srvs.NdisotopicratiosforthethreezonesoftheAndes.DatafromJamesetal.(1976),Hawkesworthetal.(1979),James(1982),Harmonetal.(1984),Freyetal.(1984),Thorpeetal.(1984),Hickeyetal.(1986),HildrethandMoorbath(1988),Geist(pers.comm),Davidson(pers.comm.),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：•A＝a2b1y2-a1b2y1•B＝a1b2－a2b1；•C＝a2b1x1-a1b2x2•D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2r＝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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－a2r＝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＝0r＝1C＝x1－x2D＝x2y1－x1y2•此时，为一直线方程。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