地幔流体的稳定同位素地球化学综述

地幔流体的稳定同位素地球化学综述

王先彬　吴茂炳张铭杰

(中国科学院兰州地质研究所,兰州,730000)

摘　要　总结了20年来国内外学者对地幔流体研究的成果和认识。主要包括地幔流体的性质和组成;

地幔

流体中同位素的含量、组成和赋存形式;同位素分馏和地幔脱气等作用对地幔组分的影响等。在不同地区和不同构造环境条件的地幔流体中,各种组分含量和同位素组成变化可以很大,从一个侧面指示地幔组分的不均一性,反映了不同地幔物质的形成历程不同或来自不同的地幔源区。此外,还讨论了目前存在的几个疑点。

关键词　地幔流体　稳定同位素地球化学　同位素分馏　地幔脱气作用　地幔源

第一作者简介　王先彬　男　1941年出生　研究员　主要从事稀有气体地球化学、非生物成因天然气及同位素地球化学等领域的研究工作

随着高精度探测技术的出现和地球科学知识的积累,人们对地球的认识进入到更深的层次。从传统的地壳到壳-幔作用,近几年来又深入到核-幔边界以至对地核的认识[1],使得对地球深部物质的研究与深部地球物理和地球化学进一步结合成为可能,并为提出全面统一的地球演化动力理论和模式准备了条件。地幔流体的研究是了解地球深部的重要手段之一。本文就地幔流体中稳定同位素方面的近期研究进展作一综述。

1　地幔流体的性质

作为地球内部的一种重要介质流体,是研究地球深部地质作用、了解深部物质的物理化学环境乃至地球发展演化的重要组分,其重要性愈来愈被更多的人所认识,是近20年来地学研究的热点。

流体,在地球科学研究中,常常是挥发组分的液相、气相及其超临界相以及硅酸盐熔体的统称,但在许多情况下不包括硅酸盐熔体。因此,地幔流体是指在地幔条件下(物相、温度、压力和氧逸度等)处于平衡并稳定共存的挥发组分[2],其形成温度大约在900℃至1400℃之间,其化学组成不均一,受多种因素控制,一般地以C、H、O、N和S(CHONS)为主要化学组分并以含较高的氢为特征,且含微量的稀有气体、F、P、Cl等。地幔挥发

1999年11月2日收稿,12月8日改回。份具有与地幔高p-t条件相适应的物理化学特性(如高的气体密度等),其地球化学性质以易溶于硅酸盐熔体(特别是富碱硅酸盐熔体)为特征,促进低熔点并且饱和挥发份的高钾原始岩浆和地幔交代熔体的形成,同时对于微量元素有高的溶解度(如大离子半径亲石元素、高价阳离子和稀土元素等),并且具有使溶质及各种微量元素产生再沉淀作用(如地幔交代作用导致地幔富集事件)。地幔流体的性质决定了它是地球内部能量和质量传输最活跃的组分,它控制着地幔岩浆作用、交代作用以及地幔变质变形等地质、地球化学作用的发生和发展,是对地球形成、发展和演化起重要作用的组分,具有重要的研究意义。

2　地幔流体的稳定同位素地球化学研究进展

自R oedder(1965)观察到全球碱性玄武岩的超镁铁质捕虏体中均找到CO2包裹体以来,地幔流体的研究工作陆续展开。许多学者采用各种测试方法(如电子探针、离子探针、激光拉曼探针、质谱计等)对认为是来自地幔的岩石矿物样品(如金刚石、金伯利岩、碳酸岩、大洋玄武岩、地幔包体等)进行了包裹体挥发组分及熔体主要元素的测定,发现不同地区、不同环境条件的地幔流体中各组分的含量变化很大,从一个侧面指示了地幔组分的不均一性。

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2000年第28卷第3期Vol.28,No.3,2000

地　质　地　球　化　学

GEOLO GY2GEOCHEMISTR Y

2.1　地幔流体中碳的赋存形式及其同位素组成

地幔是地球碳的主要源区之一,它的同位素组成及分布能够提供碳的地球化学循环的限制,并为我们认识地幔提供广泛的信息。地幔的碳同位素组成是通过来自地幔深部的各类含碳物质的碳同位素测定获得的,主要有金伯利岩中的金刚石、碳酸岩、地幔包体中的CO2流体包裹体和石墨、洋中脊溢出的CO2等。地幔中CO2含量甚低,但分布较广泛。Tracy等(1987)[3]发现1180～1530℃、3GPa压力下,碳在橄榄石熔体中的溶解量大于100×10-6(重量)[3],这为碳在地幔中的普遍存在提供了实验依据。

金伯利岩中的金刚石和碳酸岩中的碳酸盐是地幔碳同位素测定的直接样品。G alimov (1985)[4]总结了前苏联数百个碳同位素数据,发现大部分金刚石的δ13C(PDB)值在-2‰至-9‰之间,但范围却宽达-34.2‰～+2.4‰。Deines(1992)[5]对比了前苏联和南非大陆金伯利岩中金刚石的δ13C值,认为两者没有明显的不同,它们的主众数同为-55‰,加权平均值都为-7‰。Boyd等(1994)[6,7]研究了非洲南部、澳大利亚和北美等地的八面体金刚石,分出高碳和低碳两类,其δ13C值分别为-6.4‰～-2.9‰和-19.4‰～-9.5‰,δ13C值与δ15N值呈反相关关系;而且,组成外壳膜的纤维状立方金刚石含有大量的亚微米级包裹体,有高的δ13C值(-7.5‰～-4.1‰),而其包裹的金刚石晶核的δ13C值低(-21.1‰～-1.9‰),反映出二者的成因不同。碳酸岩是侵入杂岩体中岩浆成因的碳酸盐岩石,常与超基性岩、碱性超基性岩和碱性岩共生,其成因复杂,可能混染地壳物质。Deines(1992)[5]认为,只有其碳酸盐的δ18O与地幔硅酸盐矿物达到氧同位素平衡的碳酸岩才最可能保存地幔碳同位素组成;根据δ18O值挑选出符合条件的30个来自世界各地的相应数据,他认为碳酸岩的δ13C 值为高斯分布,平均为- 5.4‰,标准偏差为±0.2‰。

越来越多的研究结果证实,地幔岩中CO2流体包裹体普遍存在,而且其主要组分为CO2,并含少量或微量的CH4、CO和COS等碳的化合物[8]。Nadeau等(1990)[9]研究了北美西北部的上地幔包体中流体包裹体的碳同位素:用分阶段加热法加热至1000～1450℃抽提流体包裹体的总气体,发现不同类型地幔岩包体中流体包裹体的碳浓度变化于(0.1～66)×10-6范围,δ13C值在-10‰至-4‰之间。其中方辉橄榄岩总碳含量最高,含碳(18～66)×10-6,δ13C值为-5‰～-4‰。这些数据与富碳的幔源物质(碳酸岩、绝大多数金刚石)一致。Pineau等(1990)[10]同样采用分步加热法研究了夏威夷Hualalai火山岩中超镁铁质地幔包体的碳同位素变化,并认为不同温度下提取的CO2反映了地幔包体中不同形式的含碳物质,其中,低于800℃时提取的CO2的δ13C值明显较低(约-25‰),而高于800℃时提取的CO2被认为是来自地幔矿物的,其δ13C值在-2‰至-10‰之间。然而,世界上其它地区的研究也有与此不同的结果:高温段和低温段提取的CO2的δ13C值变化不很明显,而且其δ13C值明显较低,变化范围较大[11,12](可能与不同的实验系统有关)。

玄武岩是地幔部分熔融的产物。由于地幔部分熔融、熔浆上升和喷发可能产生碳的同位素分馏和污染,玄武岩的碳同位素只能间接提供地幔的碳同位素信息。Exley等(1986)[13]系统测定了各大洋的洋中脊玄武岩玻璃以及热点地区玄武岩玻璃中碳的丰度和碳同位素组成。他们用分段加热法在高于600℃的条件下提取原生碳,结果显示,洋中脊玄武岩玻璃中碳的丰度范围为(52～169)×10-6,其平均δ13C值为-6.6‰;热点地区夏威夷Loihi海底山的样品其碳的含量为(17～110)×10-6,并显示其碳含量与样品的深度相关,说明这些玄武岩已部分脱气。研究结果表明, Loihi拉斑玄武岩的δ13C值平均为-5.6‰,碱性玄武岩δ13C值平均为-7.1‰。由于低于600℃提取的CO2一般比高于600℃提取的CO2相对贫13C,因此以前多认为低温段的CO

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有污染。Deines(1992)[5]在总结玄武岩的碳同位素数据时指出,大部分高温提取的CO2的δ13C值落在-4‰至-9‰之间,也有低达-25‰～-30‰的数据,经细心清洗的样品在低温下也很贫13C,这不应是污染造成的,而是玄武岩固有的碳。因此,玄武岩的碳同位素组成分布几乎与金刚石、地幔包体相同。已知的火山排出的CO2的δ13C值也在0‰至-31‰之间,其中大部分在-4‰至-5‰之间。

然而,不同学者对这种碳同位素组成变化的解释不一样,地幔去气假说有时是成功的。Javoy

07地质地球化学 2000年