放射性同位素地球化学2

地幔平面
Zindler等(1982)提出，由亏损MORB、含富集物质的MORB及初始(pristine chondritic)地 幔代表的三个地幔端元，其混合作用构成了大洋环境玄武岩的岩浆源区。该三端元在NdSr-Pb同位素体系中构成的面，称为地幔平面(mantle plane)。但White(1985)发现，在地幔 平面之上或之下均存在其它的大洋环境玄武岩分布。
Plume Dynamics
(Lin & van Keken)
Thermo-chemical Plumes
(Farnetani & Samuel)
Plume experiment in your kitchen
25 Major Hotspots
板块构造与火成岩成因
1. 洋中脊玄武岩MORB 5. 弧后盆地 2. 陆内裂谷 6. 洋岛玄武岩OIB 3. 岛弧火山岩IAV、IAB 7. 各种陆内岩浆活动 金伯利岩，碳酸盐岩，斜 4. 活动大陆边缘
比值-比值，此时为为一双曲线，系数为
A＝a2b1y2-a1b2y1 B＝a1b2－a2b1r＝a1b2/a2b1 C＝a2b1x1-a1b2x2 D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2
比值-元素，如设x轴为元素，则b＝1，这时：
A＝a2y2－a1y1 B＝a1－a2 r＝a1/a2 C＝a2x1－a1x2 D＝a1x2y1－a2x1y1
• A＝a2b1y2-a1b2y1 • B＝a1b2－a2b1 ； • C＝a2b1x1-a1b2x2 • D＝a1b2x2y1－a2b1x1y2 r＝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
2.2 地球的圈层结构（2），地壳的基本组成和结构
大陆地壳的9种结构（Vp速度）类型
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
典型地壳的稀土元素组成
典型地壳的微量元素组成
问题：
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
Figure 14-5. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
混合作用普遍存在
混合过程的定量模型---幔源岩浆受到陆壳混染
2.1 地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构
类地行星的形成
主要陨石类型的相对含量
普通球粒陨石
普通球粒陨石
球粒陨石类的主要特征
碳质球粒陨石组 成与太阳光球的 组成基本一致
问题：
太阳、球粒陨石、地球的元素丰度异 同及其原因？
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
Cc
f
Rc
陆壳混染c
岩浆岩i
1-f
幔源岩浆m
Cm
Rm
Ci
Ri
o C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) Cm
Ci· Ri = fCcRc + (1-f) CmRm
长岩
5 3 1 6
4 7 2
200 km
Continental Crust
400
Oceanic Crust Lithospheric Mantle Sub-lithospheric Mantle
Source of Melts
?
600 km
?
?
?
现代大洋玄武岩可以按照产出的构造环境分为5类
1 MORB (Mid-Ocean Ridge Basalts)，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。 2 BABB (Back-Arc Basin Basalts)，形成于弧后扩张脊。弧后 盆地宽度60－1000km。 3 OPB (Ocean Plateau Basalts)，发育于大洋板内环境，形成 范围巨大的、厚的海底熔岩堆积。 4 OIB (Ocean Island Basalts)，形成海山、大洋岛、或岛链
SrNd 体 系 中 的 地 幔 端 元
• 为避免二维同位素组成对判别地幔端元可能带来 的主观偏差，Allegre等(1987)和Hart等(1992)对大 量BORB和OIB的87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、 206Pb/204Pb、207Pb/204Pb和208Pb/204Pb进行了主成 分分析(principle component analysis)，获得了5个 特征向量，表征能体现数据变化量最大百分比例 的多维组份空间的方向，其数值分别为56、37、4、 2和1%。由于前三个向量的总和为>97%，故 Hart等认为，用87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、 206Pb/204Pb三个向量在三维同位素体系中可近似 地表达MORB-OIB的特征向量的方向，即在以 DMM、HIMU、EMI和EMII端元在上述三维同 位素空间中组成的四面体，包含了>97%的大洋环 境玄武岩的同位素组成范围。
• Hart等(1986)认为，地幔平面只是地幔端元混合 的一个投影面。通过对大量MORB和OIB的Nd-Sr 和Pb-Sr同位素组成分析，确定出四个地幔端元， 分别为DMM(洋中脊亏损地幔端元)、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，将 Nd-Sr图中低143Nd/144Nd的 边界称为“低Nd分布(‘LoNd array’)”，代表了 HIMU与EMI地幔端元间的混合分布。
5 IAB (Island Arc Basalts)，岛弧或Andean型活动大陆边缘
*6 CTB (Continental Tholeiitic Basalts)，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。
问题： 亏损地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？
• 由于低Nd分布表现为混合直线，说明混合端元间 具相似的Nd-Sr-Pb比值和密切相关的成因环境， 因此变种关系不象是循环地壳与地幔端元间的关 系，而应与大陆岩石圈地幔的发生过交代富集事 件有关。
在二维同位素体系中，显示出了多地幔端元组成及低Nd分布现象
SrPb 体 系 中 的 地 幔 端 元
中国科学院地质与地球物理研究所
中国科学院研究生院
2008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），地壳的基本组成和结构 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
南美安第斯活动大陆边缘火山岩的Sr-Nd同位素
Sr vs. Nd isotopic ratios for the three zones of the Andes. Data from James et al. (1976), Hawkesworth et al. (1979), James (1982), Harmon et al. (1984), Frey et al. (1984), Thorpe et al. (1984), Hickey et al. (1986), Hildreth and Moorbath (1988), Geist (pers. comm), Davidson (pers. comm.), Wö rner et al. (1988), Walker et al. (1991), deSilva (1991), Kay et al. (1991), Davidson and deSilva (1992). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
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
tsc hat ka
60¡
Alaska North America
70
KБайду номын сангаасm
40¡
55 Mio. Y. 42 28 20
PACIFIC OCEAN
20¡
Honolulu
0
Hawaii
160¡
180¡
160¡
140¡
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－y1 B＝0 r＝1 C＝x1－x2
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同位素混合轨 迹线为下凹型；相反， 当地幔部分熔融的岩 浆上升受到地壳混染 时，地壳物质的Sr一 般低于岩浆，形成上 凸型双曲线。因此可 应用Sr-O同位素体系 有效判断混合过程。
120¡
Jason Morgan‘s Plume Model
• Upwelling from thermal boundary layer at the base of the mantle
再循环模式Recycling Model
(Hofmann & White, 1982)
Whole-mantle convection with oceanic crust + lithosphere recycling in plumes
Mantle plume dynamics is well understood:
Instability of hot boundary layer at the base of the mantle (or from the 660 km discontinuity). Hot, low density materal rises in a narrow cylinder, typically forming a large „mushroom head“ as it rises.
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：
地壳，0.4%
地幔，67.2%
地核，32.4%
上地幔的化学和标准矿物组成 - 地幔包体资料
二辉橄榄岩
上地幔的矿物相关系
不同深度地幔的矿物组成和密度
软流圈
上地幔
过渡带
下地幔
问题：
上地幔矿物组成和主元素组成有什么特点？
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。
2.5 洋岛玄武岩与地幔端元
为什么研究大洋玄武岩
• 在岩浆发生和侵位结晶过程中，Sr、Nd、 Pb等放射性同位素组成不受部分熔融和分 离结晶作用的影响，因此反映源区特征
• 洋岛玄武岩类(OIBs)代表各类大洋地幔， 并且地壳混染的影响很小，因此可以对地 幔性质提供最好的证据
大量的MORB和OIB 同位素组成调查显 示，并不存在简单 的二元混合关系
上地壳和下地壳组分差别表现在哪些方面？
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
IAV = 岛弧火山岩
OIB = 洋岛玄武岩
MORB 洋中脊玄武岩 Sr同位素 Nd同位素
幔源岩浆岩Sr - Nd同位素组成的相关性
主要岩浆岩源区的 Pb同位素组成特征
Figure 8.18. Pb isotope ratios in major terrestrial reservoirs. Typical lower continental crust and upper continental crust are represented by lower crustal xenoliths and modern marine sediments respectively (these somewhat underestimate the total variance in these reser-voirs). MORB and oceanic islands