南京大學同位素地質學-14Os同位素演化-Os同位素地球化學

14Os同位素演化/Os同位素地球化學14.1地球鋨同位素組成的原始值研究鋨同位素組成在地幔中的演化，首先要知道地球形成時鋨同位素的組成。如同Sr-Nd-Pb同位素在地球中的原始值是從測量適當的隕百中相應的同位素組成獲得的那樣，地球的Os同位素組成的原始值也是從隕石研究中獲得的。Luck等(1980)首先采用SIMS方法研究了5個不同類型的鐵隕石，包括1個球粒隕石金屬相的Re-Os同位素體系，獲得Re-Os同位素等時線，得出初始值187Os/186Os=0.805±0.011Luck等(1980)：T=4.55Ga,187Os/186Os=0.805±0.011后來增加了2個鐵隕石、1個中鐵隕石和9個不同類型的球粒隕石，由上述10個球粒隕石的金屬相，獲得Re-Os同位素等時線，得出初始值187Os/186Os=0.800±0.024由上述7個鐵隕石和1個中鐵隕石，獲得Re-Os同位素等時線，得出初始值187Os/186Os=0.807±0.006由上述全部隕石獲得Re-Os同位素等時線，得出初始值187Os/186Os=0.805±0.006(Luck&Allegre,1983)。Walker&Morgan(1989)研究了碳質球粒隕石的Re-Os同位素體系，由7個不同類型的碳質球粒隕石得到的Re-Os同位素等時線，與鐵隕石的等時線(Lucketal,1980;Luck&Allegre,1983)，基本上是一致的，得初始值:187Os/186Os=0.802±0.049因此，地球原始值在此值附近14.2地幔鋨同位素組成的演化（1）現代地幔和隕石的Re/Os比值地外物質包括球粒隕石及其分異的鐵隕石、玄武質無球粒隕石(BAC)和月巖;Os的豐度變化范圍很大(10-12~10-4)，但是它們的Re/Os值幾乎穩(wěn)定在0.1隕石而地球物質和火星隕石(SNC)中Os的豐度較低(為10-12~10-9)，變化范圍小于地外物質，但是它們的Re/Os值變化很大（達4個數量級：0.01~100)，并且它們的Re-Os豐度呈現明顯的負相關性，與地外物質有顯著差異。隕石在海島玄武巖(OIB)、洋中脊玄武巖(MORB)和科馬提巖中Re的豐度大于Os.而在幔源橄欖巖包體中Os的豐度大于Re。（2）地幔鋨同位素演化鋨銥礦中Os含量高而不含Re，因而其現代鋨同位素組成即為樣品形成時的初始值；而且鋨銥礦的幔源成因，因此，AllegreandLuck(1980)采用已知年齡的不同時代鋨銥礦的鋨同位素組成代表鋨銥礦形成時地幔的鋨同位素組成，從而研究地幔中鋨同位素組成的演化。Allegre&Luck(1980)研究的鋨銥礦樣品采自:南非的Witwatersrand(2700Ma)澳大利亞的Tasmania(630Ma)和WaratahBay(430~550Ma)前蘇聯(lián)的Urals(240Ma)和哥倫比亞(90Ma)這些樣品的187Os/186Os測量值與鐵隕石的初始值(0.805)構成一條直線(圖4.3)，它代表了地幔中鋨同位素組成演化的模式。據此，獲得地?，F在值:187Os/186Os=1.04187Os/188Os=0.11187Re/186Os=3.15(l=1.61×10－11a－1)由此獲得的地幔187Re/186Os=3.15與許多隕石的值（3.1~3.3）是一致的，如：C1、C2、H、L、E球粒隕石AngradosReis無球粒隕石鐵隕石（見下述）Walker&Morgan(1989)研究的6個碳質球粒隕石的

187Re/186Os=3.0~3.5，與地幔值一致，表明地幔的鋨同位素演化具有球粒隕石的性質。Morgan(1985)研究了不同類型的球粒隕石的Os/Re值，認為地幔的Os/Re值與C3O、C3V、E4、E5、E6族球粒隕石的相同，為Os/Re=11.8，相當于187Re/186Os=3.39。為了檢驗地幔的鋨同位素組成的演化，對于太古宙綠巖帶中的基性巖、超基性巖、科馬提巖，元古宙和顯生宙的蛇綠巖等幔源地質樣品，進行廣泛的Re-Os同位素體系研究，結果表明地幔中鋨同位素演化具球粒隕石的特征Walker等(1988)從加拿大Ontario省MunroTownship太古代科馬提巖12個樣品得到Re-Os等時線年齡2.65±0.09Ga（與U-Pb鋯石年齡2.70Ga相一致）初始值187Os/186Os=0.873±0.035,落在球粒隕石地幔演化線上，對太古宙地幔鋨同位素演化提供了有力的制約。Evolutionofthe187Os/186Osratioofthemantlefromosmiridiumsassociatedwithultrabasicrocks.AllegreandLuck(1980).對顯生宙蛇綠巖中純橄欖巖和方輝橄欖巖Re-Os同位素研究得到187Os/186Os初始值：120Ma的Oman：1.050220Ma的Toba(日本)：1.029都落在球粒隕石地幔演化線上，表明顯生宙地幔的鋨同位素組成也符合球粒隕石演化。澳大利亞西部晚太古代綠巖地體中有大量的科馬提巖賦存富Ni-Cu-PGE的硫化物礦床。Forster等(1996)對該地三個礦區(qū)采集的20多個硫化物礦石和科馬提巖樣品作Re-Os同位素體系研究：其中13個含礦巖漿硫化物樣品和非礦化的科馬提巖Re-Os同位素等時線年齡為2706±36Ma（與U-Pb鋯石年齡一致），初始值187Os/188Os=0.10889±0.00035，說明太古宙地幔中鋨同位素組成也具球粒隕石演化特征。Walker等(1996)從芬蘭東部古元古代(1.97Ga)蛇綠巖中的單礦物獲得初始值187Os/188Os=0.11395，說明古元古代地幔的鋨同位素組成也具有球粒隕石演化特征。(a)從超基性巖銥鋨礦獲得的地幔187Os/186Os演化(b)陸殼和地幔演化(AllegreandLuck1980)對比對于地幔中親鐵元素Re-Os同位素體系具有球粒隕石型的演化特征，迫使人們思考核-幔和殼-幔相互作用對Re-Os同位素體系的影響。對比：親石元素Sm-Nd同位素體系，虧損地幔與球粒隕石的Nd同位素演化是不同的.地幔和隕石的187Re/186Os≈3.15球粒隕石14.3核—幔分異對地幔鋨同位素演化的影響Re、Os元素的親鐵性，在地球增生后的核-幔分異過程中，與親石元素相反，它們優(yōu)先迸入地核。但兩者親鐵性強度有差異。那么，為什么地幔硅酸鹽部分的Re-Os同位素組成，也具有隕石性質呢？難道Re、Os元素的親鐵性強度一樣？比較：整體地球Sm-Nd、Lu-Hf同位素體系具有球粒隕石性質(基本上是一個假定，基礎是最早期巖石的初始同位素比值與球粒隕石接近或位于球粒隕石演化線上)；

而地幔相對于整體地球是虧損的。Re-Os等高度親鐵元素在地幔中的豐度，被認為直接與地球形成過程有關。地球形成過程的兩種模式

(Newsom&Jones,1989)：均勻吸積模式:地球是由成分基本不變的物質不斷吸積增生，然后由單階段分異過程，形成地核和地幔。不均勻吸積模式:地球是由多階段不均勻的復雜的吸積增生過程形成的。均勻吸積模式不均勻吸積模式地幔中親鐵元素的豐度特征，Morgan(1985)提出不均勻吸積模式：①地球質量的93%是在還原條件下由原始球粒隕石物質吸積而成的。在此階段親鐵元素幾乎全部進入富鐵金屬相，分凝成原始的地核。②然后，約有7%的地球質量物質在更加氧化條件下加入，造成現在上地幔的高氧化狀態(tài)和揮發(fā)性元素的分布。在這一階段中，地幔重新富集了親鐵元素，但高度親鐵元素被分凝到地核，而中等親鐵元素留在硅酸鹽地幔中；③最后，少于1%地球質量的更加氧化和虧損揮發(fā)性元素的物質加入，使得高度親鐵元素達到現在地幔的豐度和球粒隕石的相對比值。這種不均勻吸積模式可以解釋地球中親鐵元素的分布特征，但是沒有合適的模式可以解釋地球吸積增生三階段中所需的太陽星云物質的成因(Walter,1997)。近年來，高溫高壓下不同熔體間元素分配實驗：中等親鐵元素（P、Fe、W、Co、Ag、Ni、Sb、As、Ge、M）高度親鐵元素（如Os、Re、lr、Ru、Pt、Rh、Au、Pd）在鐵合金熔體和硅酸鹽熔體間分配系數測定結果(Li&Agee,1996;Righteretal.,1997;Righter&Drake，1997)，暗示在很高的壓力下元素Re、Os可能具有相同的分配系數(Walter,1997)，——支持地球形成過程的均勻吸積增生模式。分配系數測定結果

：元素Ni和Co的分配系數在常壓下相差5倍，但隨著壓力增加差異減小，在28GPa下兩者相等(Li&Agee,1996)元素Re、lr、Au、Pd在常壓下的分配系數差異很大，但Re在高壓與常壓下的分配系數相差很大(Righter&Drake,1997)，預計在更高壓力下高度親鐵元素Re、Os可能具有相同的分配系數(Walter,1997)。根據這些實驗結果可以預見，形成地球的原始物質中Ni/Co、Re/Os具有球粒隕石的比值，在核-幔分異時的深巖漿海條件下(如溫度為2200K、壓力為28GP,Li&Agee,1996)，核、幔的Ni/Co（及Re/Os）比值仍為球粒隕石型的，從而殘余地幔中鋨同位素組成的演化與球粒隕石相同.因此支持均勻吸積增生模式，即地球的形成是一步到位的(Walter,1997)。強烈親鐵元素Re-Os在地核-地幔分異過程中沒有明顯的分餾，即Re/Os比值沒有改變，因此沒有影響它們在地幔中的演化性質。該推論還有待高壓下強烈親鐵元素Os的分配系數實驗測定證實！14.4殼-幔分異和地殼物質再循環(huán)對地幔鋨同位素演化的影響Re-Os元素在地殼-地幔分異過程中產生明顯的分異，地殼巖石的Re/Os值明顯大于地幔。如采用富集系數f=(Re/Os)rock/(Re/Os)mantle概念：拉斑玄武巖f＝300花崗巖f＝100(Allegre&Luck,1980)由于從地幔分異出來的地殼物質的Re/Os值明顯大于地幔，隨時間的演化，地殼物質放射成因的187Os增加，其187Os/188Os值高于地幔物質。殼源物質由俯沖再循環(huán)作用而返回地幔，將放射成因鋨同位素帶入地幔。那么，殼-幔分異和地殼再循環(huán)對地幔鋨同位素組成的演化影響如何?盡管目前各種地球物質的精確Re-Os豐度數據積累不多，但從Re-Os地球化學性質可以預見，在殼-幔分異作用中：Os是殘留在地幔的相容元素，在分異出來的地殼物質中，元素Os含量較之原始地幔中要低得多(可達3個數量級)Re在地幔中具有中等不相容性，故與殘留相比較，分異相中Re豐度有所升高結果使分異相具有很大的Re/Os，注意：分異相Re的豐度增加并不很多，但Os的豐度降低多。另一方面，地球中地殼的質量占0.48％，而地幔的質量占67.10％，僅上地幔部分的質量就占10％。因此從整體上講，殼-幔分異作用只使少量的Re-Os離開地幔進入地殼，因此并不影響地幔中的Re/Os值，也不會影響地幔鋨同位素以球粒隕石性質演化。同樣，少量富放射成因187Os同位素的地殼物質，在俯沖帶由再循環(huán)作用返回地幔，從整體上講，也不會影響地幔中鋨同位素以球粒隕石性質演化。但將會影響局部地幔物質的鋨同位素組成。Os同位素在研究近代幔源火成巖方面的優(yōu)勢：與地幔相比，地殼同時富集Sm和Nd，少量的地殼混染，將對幔源巖漿巖造成很大影響；但地殼貧Os、稍富Re，少量的地殼混染對近代幔源巖漿巖Os同位素影響很小，因此Os同位素更能反映地幔源區(qū)的特征。對Nd同位素來說，地殼混染和地幔富集作用的結果很相似；但因地殼混染對近代幔源巖漿的Os同位素影響不大，因此Os、Nd同位素相配合，可以區(qū)分地殼混染作用和地幔富集作用。14.5大陸巖石圈地幔Re-Os同位素定年大陸巖石圈地幔，是巖石圈的組成部分，它以莫霍面為界，下伏于地殼。它也是地幔的組成部分，上覆于軟流圈，為上地幔的頂部。通常認為在力學、熱學和化學性質上，大陸巖石圈地幔是地殼-地幔的過渡層;它在對流地幔-巖石圈地幔-地殼相互作用和演化中起重要作用。研究大陸巖石圈地幔的成分、結構、形成和演化是固體地球科學的前沿熱點之一。大洋與大陸地區(qū)的巖石圈地幔地球化學特征差異明顯=＝==≠≠按地球化學的觀點，在自然界源于大陸巖石圈地幔的直接標本主要有三類均質樣品:阿爾卑斯型構造橄欖巖、金伯利巖中的幔源橄欖巖包體、堿性玄武巖中的幔源橄欖巖包體。自20世紀60年代后期開展大規(guī)模的全球性的地幔地球化學研究以來，對于大陸巖石圈地幔樣品也作了大量的地球化學工作，包括：常量元素、REE等微量元素和Rb-Sr、Sm-Nd、U-Th-Pb、Lu-Hf、稀有氣體和氧等同位素體系的研究

(e.g.Menzies，1990;BasuandHart,1996)。但是，對于大陸巖石圈地幔年齡(或形成時代)研究的重大突破，是由于Re-Os同位素體系成功地用于大陸巖石圈地幔樣品的研究而取得的。在大陸巖石圈地幔的形成和演化的研究中，長期以來沒有合適的同位素體系可以測定其形成年齡。常用的Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb體系，對于幔源橄欖巖往往不能給出形成年齡。這是因為它們都是親石元素，在殼-幔分異中表現為不相容性。殘留地幔虧損這些元素，故易受后來的地幔交代作用（顯性或隱性）的影響，其原始含量和同位素組成容易受到改變。

大陸巖石圈地幔的形成和穩(wěn)定，主要由軟流圈物質通過巖漿作用：包括熔體分凝構成地殼，殘余的軟流圈物質逐趨冷卻形成穩(wěn)定的大陸巖石圈地幔，導致：大陸巖石圈地幔中主要元素成分：Mg、Ni、Cr等組分濃度升高，玄武質成分（Fe、Al、Ca、Na等)濃度降低。按理，不相容微量元素也應呈虧損特征。但是，無論在造山帶橄欖巖還是幔源橄欖巖包體中，常常表現為：不相容主量元素虧損與不相容微量元素富集這種不耦合現象?！从沉说蒯＝淮饔么嬖诘钠毡樾?。

正是地幔交代作用的干擾，常用的Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb同位素體系的母子體元素的含量和子體同位素組成，常常與表征巖漿作用的主量元素含量變化之間沒有相關性。因而：這些常用的同位素體系不能測定大陸巖石圈地幔的巖漿作用時間；在理想條件下可能給出地幔交代作用的時間難于區(qū)分地殼混染、地幔富集。Re-Os同位素體系與常用的親石Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb同位素體系不同：Re-Os元素在天體化學演化中表現為親鐵耐熔性質。在殼-幔演化中，Os是相容元素，富集在殘留地幔中;Re是中等不相容元素，在液相中稍有富集。地幔與地殼中的Re/Os值差異很大，隨著時間的演化，兩者具有明顯不同的鋨同位素組成，成為很好的地球化學示蹤劑(Allegre&Luck，1980)。尤其Os是相容元素，在地幔中的含量高，故幔源橄欖巖Os有較強的抗地幔流體交代作用影響的潛力。地幔中Os的含量大大高于地殼(可達3個數量級，Birck&Allegre,1994)，對地殼混染不敏感從而使得：最近的研究表明，橄欖巖包體中的顯性和隱性熱液交代作用以及碳酸鹽熔體交代作用都不影響Re-Os法測定巖漿作用時間（即大陸巖石圈地幔的形成年齡）（Handlaretal.,1997;Oliveetal.,1997）。這正是Re-Os法的特點所在。14.5.1克拉通地區(qū)大陸根的年齡實例1：Walker等(1989)首先采用SIMS方法，研究南非KaaWaal克拉通核部4個金伯利巖中的橄欖巖包體[包括低溫(<1200℃)和高溫(>1200℃)橄欖巖樣品]：Os含量1.10~6.86×10-9,Re為0.092~1.28×10-9。187Os/186Os=0.905~1.070，除2個樣品外都低于現在的地幔值；由7個樣品得到的Re-Os等時年齡，表明該區(qū)大陸巖石圈地幔的形成于2.4Ga，說明大陸巖石圈地幔的古老性

其中低溫橄欖巖(<1200℃)同時表現出：Nd-Sr同位素和REE等不相容微量元素的富集特征鋨同位素卻具有虧損的特征表明古老大陸巖石圈地幔物質是晚太古代地幔部分熔融后的殘余體，其Re/Os降低，故Os同位素虧損，且后期交代對其無影響；而Nd-Sr同位素和不相容微量元素的富集是后期地幔交代作用造成的.Walkeretal.(1989)因此提出了Re虧損模式年齡的概念，即：假定Re全部進入熔體，那么熔體提取后，殘余地幔的Re含量就趨近于零式中(187Os/186Os)T地幔=0.805，(187Re/186Os)0地幔=3.15t=T-t1It0T殘余地幔假定無Re(187Re/186Os)地幔=3.15t1熔體事件Re虧損模式年齡是熔體提取年齡的最小估計實例2：

Pearsonetal.(1995a)對南非Kaapvaal克拉通上述4個金伯利巖中的24個橄欖巖包體作了研究（其中Os含量0.019~9.20×10-9,3個樣品Os<1×10-9;Re含量0.015~1.03×10-9。2個樣品Re>0.135×10-9）。23個樣品(187Os/188Os)=0.10614~0.12572，低于原始地幔的現在值。包體的Re虧損模式年齡表明該區(qū)大陸巖石圈地幔的形成和穩(wěn)定時間不小于3.5Ga。不同時代金伯利巖中的橄欖巖包體的研究表明該區(qū)大陸巖石圈地幔的形成與地幔分異和陸殼形成是同時的。實例3：對西伯利亞克拉通和懷俄明克拉通地幔橄欖巖包體的Re-Os同位素體系研究，獲得了兩個克拉通地區(qū)的大陸巖石圈地幔形成年齡分別是3.2G、(Pearsonetal，1995b)、2.7~2.9Ga(Carlson&Irving1994)，也證明了大陸巖石圈地幔年齡的古老性。實例4：

Olive等(1997)對北Lesotho一個90Ma侵位的小火山角礫巖筒中產出的幔源包體作了詳細研究：（1）其中橄欖巖包體和組合包體中的圍巖橄欖巖的187Os/188Os=0.1142~0.1245（Os含量0.92~2.90×10-9,Re含量0.l0~0.18×10-9);具有交代礦物組合的橄欖巖脈的187Os/188Os=0.1173，都低于原始地幔的現在值，最老的Re虧損模式年齡2.2Ga，說明了大陸巖石圈地幔的古老性。橄欖巖中的顯性地幔交代作用對Re-Os體系無顯著影響。（2）其中的輝石巖包體和組合包體中的輝石巖脈的Os含量更低(0.12~0.50×10-9),Re含量較高(0.14~0.75×10-9)，187Os/188Os=0.1521~0.1480，具有明顯的富集特征，Re-Os體系的參考等時線年齡為90Ma。說明地幔中熔體遷移堆積相輝石巖脈是在大陸巖石圈地幔形成和穩(wěn)定以后的地質事件中形成的。187Os/188Os原始值=0.09531,187Re/188Os=0.40186,T為地球形成年齡（4.558×109a）表中：14.6.Pt-Os同位素體系示蹤核-幔作用親鐵元素Pt有5個同位素，其中190Pt→186Os+aT1/2=(8.8±0.7)1011al=1.1×10-12a-1(Al-Bataina&Janecke,1987)。由于190Pt是Pt族元素中同位素豐度最低的，約為0.0124%加之其衰變常數小，在自然界巖礦體系中由Pt放射成因的186Os含量極小，精確測定有很大困難。加之Pt元素豐度低，含量測定也很困難，因而對Pt-Os同位素體系做的工作很少。Walker等(1997)改進了分析方法后，對西伯利亞Norli’sk地幔熱柱(251Ma)巖石的11個樣品測定，得到186Os/188Os-190Pt/188Os等時線，獲得190Pt的衰變常數l=1.542×10-12a-1，精度為1%。Walker等(1997)對6個IIA型鐵隕石和5個IIB型鐵隕石獲得186Os/188Os-190Pt/188Os等時線，用衰變常數l=1.542×10-12a-1，計算的年齡為4290±284Ma。說明衰變常數值基本正確。強親硫元素在外層地核和地幔中的含量反差極大，因此外核物質加入到地幔將引起特征的、地幔本身作用過程不能產生的親硫元素含量升高。但由此造成的地幔柱強親硫元素高含量特征，在熱柱物質上升侵位和晶體-液體分離過程中，有可能消失而不能保存外核物質加入的記錄。液態(tài)的外層地核比地幔顯著富集Re和Pt、具有很高的Pt/Os和Re/Os比值，由于187Re和190Pt分別衰變?yōu)?87Os和186Os，因此：外核具有獨特的186Os/188Os和187Os/188Os比值都比地幔高的特征。只要1%的外核物質加入到下部地幔中，就會主導該區(qū)地幔Os同位素組成，使187Os/188Os、186Os/188Os比值都高！而古老洋殼再循環(huán)進入地幔只能產生高187Os/188Os比值，卻不能產生高186Os/188Os比值。

因此187Os/188Os、186Os/188Os比值耦合升高可反映有核-幔作用使外核物質加入到了地幔柱中。Os同位素組成不會因晶體-液態(tài)分異過程而改變，能夠保存下來。前述：強親硫元素高含量特征，在熱柱物質上升侵位和晶體-液體分離過程中，也有可能消失。Brandon等(1999)對夏威夷群島的MaunaLoa,Loihi和Koolau三處苦橄巖的Re-Os和Pt-Os同位素研究，發(fā)現186Os/188Os和187Os/188Os高于球粒隕石型原始地幔，且兩者呈正相關。他們認為夏威夷地幔柱來源于地球深部核-幔邊界的D”層，可能與小行星類似，0.5%~1%的外核液態(tài)金屬加入到D”層，然后混合物以地幔柱形式上升，可以解釋夏威夷苦橄巖的Re-Os和Pt-Os同位素特征。因此鋨同位素組成可以用于區(qū)分地幔柱來源的深度，或來源于上地幔底部670km地震波速的不連續(xù)面，或來源于核-幔邊界層(Brandonetal.，1998;Walkeretal.，1995)。參考：另一個可以用來探測起源于核-幔邊界地幔柱的工具是W同位素(ArevaloJr.2008,EPSL)：182Hf→

182W+β

半衰期8.90±0.09Ma(Vockenhuberetal.,2004).

Hf、W都是難熔元素，但地球化學親緣性不同：在地核形成的還原條件下，Hf呈親石元素，趨于進入硅酸鹽相，而W呈中等親硫元素。結果金屬質地核的Hf/W~0，因此保持了原始的W同位素組成。因182Hf的半衰期很短，故地球中任何的W同位素不均勻性必是繼承了太陽系早期最先50Ma（182Hf的壽命期）的歷史。地球樣品和球粒隕石研究表明地球的地核比地球的硅酸鹽虧損2ε單位的182W(Kleineetal.,2002;Schoenbergetal.,2