氦同位素研究简介

氦同位素地球化学研究简介1.氦同位素的地球化学基础2.氦同位素的分析方法3.氦同位素在地球化学研究中应用氦（He）化学性质不活泼，不参与各种化学反应过程。氦具有极强的扩散和迁移能力。在太阳系乃至整个宇宙空间，氦的丰度均很高。在地球物质中，氦的丰度极低，但广泛分布于自然界各种物质之中。氦的地球化学性质氦有两种同位素：3He，4He氦的同位素氦有三种成因类型：（1）元素合成阶段形成的原始氦3He/4He比值为n×l0-4（2）铀钍等衰变及由这些过程诱发的核反应产生的放射性成因氦3He/4He比值小于n×l0-8（3）高能宇宙射线轰击陨石等物质引起的散裂反应，产生宇宙成因氦3He/4He比值高达n×10-1氦的成因类型自然界各种物质中的氦实际上是上述3种不同成因氦的不同比例的混合。太阳风、宇宙尘、陨石中的氦主要是宇宙成因氦与原始氦的混合，其氦丰度和3He/4He比值均很高。宇宙尘的3He/4He比值为2.4×l0-4,4He含量为1.25×l0-1cm3STP/g。氦同位素地球化学-1地球样品中的氦主要是放射性成因氦和地球原始氦的混合。陆壳岩石富含U、Th等放射性元素，U、Th衰变产生4He，使陆壳岩石的3He/4He比值普遍较低，＜10-8。氦同位素地球化学-2地幔中放射性元素含量很低，衰变产生的4He很少，使其基本保持了地球形成时原始地幔的氦同位素特征。其中MORB的3He/4He比值平均为1.2×10-5；地幔热点的3He/4He比值相对较高，大于2.1×10-5地球大气氦的3He/4He比值非常稳定，为1.4×10-6。它是地球长期演化的结果。氦同位素地球化学-3海底热液中的氦主要是地幔氦与大气氦的混合，其3He/4He比值介于地幔氦和大气氦之间，为n×10-6~n×10-5。大陆热液中的氦主要是地幔、地壳和大气三者或其中二者的混合，其3He/4He比值变化范围较大，10-8~10-5。氦同位素地球化学-4氦同位素在地球上的分布氦同位素在自然界中的变化范围巨大，不同成因和来源的氦其丰度和同位素组成明显不同。4He=10-1~10-8cm3STP/g，3He/4He=10-1~10-8，引起氦同位素变化的主要原因有：(Ⅰ)氦的来源(Ⅱ)U、Th等放射性元素含量及矿物岩石的形成年龄；陨石等地外物质的暴露年龄（Ⅲ）同位素分馏（Ⅳ）体系封闭特性氦同位素地球化学-5根据物质的来源和氦同位素的特征，将自然界中的氦储库分为4类：一.地外物质，包括陨石和宇宙尘等；二.地球物质：1.地幔物质，包括上地幔和下地幔；2.地壳物质；3.地球大气。氦的来源矿物岩石的U、Th含量越高，形成年龄越大，积累的放射性成因4He越多，其3He/4He比值就越低。陨石等宇宙物质在宇宙射线中暴露的时间越长，积累的宇宙成因3He越多，其3He/4He比值越高。放射性元素含量及矿物岩石的形成年龄氦在扩散、迁移、溶解、吸附等过程中的同位素分馏是引起氦同位素变化另一个重要原因，但由分馏引起的氦同位素变化相对较小。同位素分馏氦是扩散能力非常强的气体，许多矿物的氦同位素封闭温度普遍较低，对后期改造事件反映非常灵敏，微弱的后期扰动都有可能引起体系氦同位素的变化。体系封闭特性二、分析方法氦同位素的分析方法主要有两种:•加热提取方法•压碎提取方法加热提取法:(1)一次性加热提取(2)分段加热提取(3)激光探针加热提取压碎提取法:压碎法提取的主要是矿物流体包裹体中的氦。可将放射性氦降到最低。三、氦同位素的应用研究1.研究陨石起源演化，示踪陨石撞击事件，区分地内、地外物质。2.划分地幔类型，研究壳幔相互作用、地幔交代作用、地幔流体成矿作用，判定地幔热柱是否存在。3.探讨地外因素对地球气候环境的影响，预报地震。氦同位素在陨石撞击事件中的应用陨石和宇宙尘的氦丰度和同位素组成与地球物质明显不同，微量微陨石或宇宙尘的加入即可造成地内物质明显的氦同位素异常。Farley（1998）用氦同位素研究深海沉积物中36Ma前发生的2次撞击事件。He同位素异常与Ir异常和Popigai、Chesapeake陨石坑的位置完全重合，但He同位素的异常强度较Ir异常高得多，异常持续时间达2.5Ma。氦含量和同位素组成在MassignanoQuarry剖面和Massicore钻孔中的分布A3He含量B3He/4He比值C地外3He含量地外3He通量和宇宙尘通量变化与撞击事件之间的关系（曲线为通过近日点的频率）251.4Ma前，在P-T界线附近发生了大规模地生物灭绝事件，使90%的海洋生物，70%的陆地脊椎动物和绝大部分陆地植物灭绝。这次灭绝事件可能与某个灾变事件有关。可能原因有：陨石撞击、大规模火山喷发、海洋缺氧和气候变化等。Becker（2001）在梅山和日本SasayamaP-T界线粘土层中发现了富勒烯（C60~C200）。富勒烯中的He的3He/4He比值高达10-4，与碳质球粒陨石相似，表明陨石撞击可能是引起生物绝灭的原因。富勒烯捕获惰性气体的示意图中国梅山和日本SasayamaP-T界线沉积物激光解吸质谱中国梅山（甲苯提取）日本Sasayama（四甲苯提取）中国梅山（四甲苯提取）日本SasayamaP-T界线沉积物和富勒烯的氦同位素组成P-T界线沉积物中40Ar/36Ar与3He/36Ar关系图宇宙尘的氦同位素研究Ozima（1984）在深海沉积物中首先发现宇宙尘，引起人们的重视。Farley（1997）研究了宇宙尘进入地球大气圈时的受热情况和宇宙尘对氦的保存能力。Farley（1995）根据沉积物中地外3He含量、沉积速率和地外3He通量之间的关系，计算新生代以来宇宙尘通量的变化，发现海底沉积物中地外3He的通量变化存在10万年的周期。Marcantonio等发现地外3He通量变化与地球气候变化密切相关。即地外因素对地球气候的影响不可忽视。中大西洋中脊DSDP607钻孔沉积物3He含量随时间的变化地外3He通量随时间的变化深海沉积物的氧同位素变化轨道偏心率和倾角Kortenkamp(1998)随后数字模拟了宇宙尘粒子轨道演化，进一步证实进入地球的宇宙尘通量变化存在一个10万年的周期，该周期与地球轨道偏心率的变化有关。在深海沉积物中观察到的地外3He的浓度变化周期与之相似，但存在一个50000年相差。小行星带内小行星之间的碰撞是不可避免的，大的碰撞将对这一周期产生叠加影响。宇宙尘通量与地球轨道参数之间的关系B地球轨道偏心率E地外3He通量磷灰石的（U-Th）/He年龄测定与热年代学磷灰石富含铀、钍，是（U-Th）/He法定年的理想矿物。但其封闭温度很低，只有75℃。Zeitler和Wolf等利用磷灰石的这一特性开展磷灰石的低温热年代学研究。House（1998）根据磷灰石的（U-Th）/He定年法研究了美国加利福尼亚内华达山脉的地形形成历史。A地形剖面示意图B埋藏深度与温度的关系（V山谷，R山脊）C山谷和山脊样品的冷却历史(U-Th)/He年龄沿山脉剖面的变化A海拔校正后的He年龄（梯形曲线为校正后的平均年龄）B剖面中样品的位置和海拔地幔岩石的氦同位素研究氦同位素是区分地壳、地幔岩石，划分地幔类型，研究地幔交代作用，判定地幔热柱是否存在的重要手段。以前研究较多的是大洋地幔，最近大陆地幔的氦同位素研究日益受到人们的重视（Dunai，1995；Patterson，1994）。Niedermann（1997）在东南太平洋的MORB中找到了下地幔的氦组分；Matsumoto（1997）在澳大利亚一个幔源包体中发现了似地幔柱氖。Hanyu（1997）通过研究板块俯冲带玄武岩的氦同位素组成，找到了地壳物质再循环的氦同位素证据。李延河等发现中国东部新生代玄武岩中幔源包体和高压巨晶的3He/4He比值大都分布在1×10-5左右，显示出MORB型亏损地幔的特征。蛟河地区幔源包体的3He/4He比值为4.8×10-6；汉诺坝地区幔源包体的3He/4He比值为（0.15~7.4）×10-6，较MORB值明显偏低，甚至低于大气的值，说明该地区曾发生过强烈的地幔交代作用。同一地区幔源包体和高压巨晶的氦同位素组成明显不同，表明幔源包体和高压巨晶不是同源的，二者可能与寄主玄武岩均无必然成因联系。在汉诺坝地区一件石榴石巨晶中发现了异常高的3He/4He比值。●示汉诺坝幔源包体中橄榄石，⊙汉诺坝辉石巨晶，〇示汉诺坝石榴石巨晶；■示宽甸辉石巨晶，□示宽甸石榴石巨晶；◆示女山幔源包体中橄榄石，◇示女山辉石巨晶；+示鹿道幔源包体中橄榄石；×定安幔源包体中橄榄石；▲示辉南幔源包体中橄榄石；△示蛟河幔源包体中橄榄石中国东部新生代玄武岩中幔源包体和高压巨晶的氦同位素分布图汉诺坝地区玄武岩中幔源包体和高压巨晶的3He-3He/4He分布图汉诺坝地区玄武岩中幔源包体和高压巨晶的3He-4He分布图地幔流体的氦同位素研究Kennedy研究与加州SanAndreas断裂带有关的地热流体，发现地热流体的3He/4He比值较高，且与地热流体的化学成分和产出的地质环境无关，从而证明了与该断裂有关的地热流体来自地幔。上官等研究了腾冲等地热泉的氦同位素组成，发现温泉的氢氧同位素组成与当地的大气降水相似，但3He/4He比值较大气的值明显偏高；说明温泉水可能来自大气降水，但氦可能来自地幔。SanAndreas断裂带地热流体的化学成分SanAndreas断裂带地热流体的氢氧同位素组成SanAndreas断裂带地热流体的氦同位素组成SanAndreas断裂带地热流体的氦同位素组成在空间上的分布氦同位素在热液矿床和油气田中应用研究热液矿床和油气田中幔源组分的氦同位素示踪是最近氦研究的一个热点。Stuart发现成矿早期的成矿热液的3He/4He比值＞1.4×10-6，具有幔源氦的特点。徐永昌（1996）发现郯庐断裂附近不少气田的3He/4He比值异常高，具有明显的幔源氦的加入。李延河等用压碎法分析了胶东、冀东和小秦岭等地区金矿的流体包裹体的氦同位素组成，发现这些金矿的3He/4He比值普遍较高，证明了这些地区金矿的形成确实与地幔活动有关。需要说明的是氦来自地幔并不等于水和金属成矿物质也来自地幔。氦同位素在环境方面的应用利用惰性气体研究地下水的古温度，示踪盆地水循环（Castro，1998）是惰性气体同位素研究的一个新的发展方向。Marcantonio（1996）发现海底沉积物中地外3He的含量是海底沉积物搬运和积聚的指示剂。A深海有孔虫的氧同位素B深海沉积物中碳酸岩组分的含量C地外3He含量D地外3He通量AVostok地区空气氧同位素记录BMilankovitch日照强度变化C深海沉积物的氧同位素记录AVostok地区大气氧同位素记录B处理后的氧同位素记录C深海沉积物的氧同位素记录D处理后的氧同位素记录A日照强度减去大气δ18O后的剩余，反映了冰的体积变化B日照强度减去深海有孔虫δ18O后的剩余，反映了冰的体积和深海水温度变化C两个剩余之间的差异，反映了深海水温度变化AB重建的海水δ18O记录，反映了冰的体积和海平面变化C重建的Dole效应记录D重建的有孔虫δ18O记录，反映了深海水的温度变化EVostok地区D/H比值F大气CO2记录A深海温度B冰体积（海平面）CD/H比值（气温）DCO2浓度e地球轨道偏心率t轨道倾角p运动南极地区气候变化与地球轨道参数之间的关系Shackleton（2000）对南极Vostok地区冰的体积变化、冰的氧同位素变化及冰捕获的大气中CO2浓度和大气氧同位素变化等进行了系统研究，发现南极冰也存在一个10万年的冰年（Ice-Age）周期。在这个周期中大气的CO2浓度、空气的温度和深水温度变化与地球轨道偏心率的变化是同步的，但南极冰的体积变化落后于上述三个指标的变化。Becker（1996，2000）和Heymann（1994）还分别在加拿大Sudbury的撞击构造中和K-T界线粘土层中发现了富勒烯的存在，在富勒烯中测得了异常高的3He/4He比值，5.5×10-4~5.9×-4。该值比报道的最大的地幔值还高一个数量级。这些研究为