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(yè)，共85頁(yè)，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(guò)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(lái)源第2頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第4頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五類地行星的形成第5頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五球粒隕石類的主要特征第7頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五碳質(zhì)球粒隕石組成與太陽(yáng)光球的組成基本一致第8頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五問(wèn)題：太陽(yáng)、球粒隕石、地球的元素豐度異同及其原因？第9頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五地球早期的核幔分離第10頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五地殼地幔地核第11頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第13頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第14頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五上地幔的礦物相關(guān)系第16頁(yè)，共85頁(yè)，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(guò)渡帶軟流圈第17頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五問(wèn)題：上地幔礦物組成和主元素組成有什么特點(diǎn)？第18頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第19頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五地幔化學(xué)：早在60年代，地球化學(xué)家通過(guò)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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第22頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第24頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第25頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五JasonMorgan‘sPlumeModelUpwellingfromthermalboundarylayeratthebaseofthemantle第26頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Mantleplumedynamicsiswellunderstood:

Instabilityofhotboundarylayeratthebaseofthemantle

(orfromthe660kmdiscontinuity).

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

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

(Farnetani&Samuel)第30頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Plumeexperimentinyourkitchen第31頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五25MajorHotspots第32頁(yè)，共85頁(yè)，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(zhǎng)巖????600km400200kmContinentalCrustOceanicCrustLithosphericMantleSub-lithosphericMantleSourceofMelts1534672第33頁(yè)，共85頁(yè)，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(zhǎng)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(guò)大陸地殼并與之反應(yīng)。第34頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五問(wèn)題：虧損地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？第35頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(zhǎng)角閃巖最下地殼：基性麻粒巖，輝長(zhǎng)巖，輝石巖第38頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五典型地殼的稀土元素組成第39頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五典型地殼的微量元素組成第40頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五問(wèn)題：上地殼和下地殼組分差別表現(xiàn)在哪些方面？第41頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.3幔源巖漿巖的組分差別第42頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.4混合過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)第47頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五簡(jiǎn)單混合模式二元混合三元混合Figure14-5.Winter(2001)AnIntroductiontoIgneousandMetamorphicPetrology.PrenticeHall.第48頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五混合作用普遍存在第49頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五混合過(guò)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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第51頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五混合作用模型的應(yīng)用判斷混合過(guò)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(guò)程。第56頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.5洋島玄武巖與地幔端元第57頁(yè)，共85頁(yè)，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(guò)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(yè)，共85頁(yè)，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(jiǎn)單的二元混合關(guān)系第59頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(guò)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(shuō)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(guò)交代富集事件有關(guān)。第61頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Sr-Pb體系中的地幔端元第63頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五Sr-Nd體系中的地幔端元第64頁(yè)，共85頁(yè)，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(lái)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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(guò)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(guò)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(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(guò)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(lái)自大陸克拉通邊緣的大陸巖石圈俯沖作用。第72頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五EMI、EMII、HIMU端元成因示意圖第73頁(yè)，共85頁(yè)，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(lái)自地幔與下地殼和上地殼的混合第74頁(yè)，共85頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.6源區(qū)的鑒別第75頁(yè)，共85頁(yè)，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(yè)，共85頁(yè)，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(kù)＝CHURFigure14-6.AfterZindlerandHart(1986),Staudigeletal