放射性同位素地球化学2011(下)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
?
?
?
玄武岩分类：依据地幔源区
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。
CiNd· RiSr = fCcNdRcNd + (1-f) CmNdRmNd
o 给定任意一个f，可以计算出受混染岩浆的Sr, Nd含量 和比值CiSr、CiSr、RiSr、RiNd o 取RiSr=87Sr/86Sr为横坐标，RiNd=143Nd/144Nd为纵坐 标，可以得到混合线，如下图：
南美安第斯活动大陆边缘火山岩的Sr-Nd同位素
CiNd· RiNd = fCcNd· RcNd + (1-f) CmNd· RmNd
o 关注：受混染岩浆的RiSr、RiNd与混染程度f的关系 o 4个方程，5个未知数。MORB岩浆及混染地壳的 Sr, Nd含 量和比值为已知 CiSr = fCcSr + (1-f) CmSr
CiSr· RiSr = fCcSrRcSr + (1-f) CmSrRmSr CiNd = fCcNd + (1-f) CmNd
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（以幔源岩浆受到陆壳混染为例）
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.
大别山造山带地壳速度结构（王椿镛等，1997）
Alps orogen
460km
Ural orogen
480km
大别山造山带
300Km
世界著名造山带地壳断面对比图
华北克拉通中部地壳速度结构
Zheng TY et al., 2009, Geology
大陆上地壳的组成
大陆下地壳的主元素组成
典型地壳的稀土元素组成
碱性玄武岩
tsc hat ka
60¡
Alaska North America
70
Kam
40¡
55 Mio. Y. 42 28 20
PACIFIC OCEAN
20¡
Honolulu
0
Hawaii
160¡
180¡
160¡
140¡
120¡
J. Morgan„s Plume Model (1971)
Deep mantle plumes [Morgan, 1971] were proposed in 1971 to explain: • intraplate volcanism, and unusually large-volume volcanism on spreading plate boundaries (“hot spots”), • time-progressive volcanic chains, and • the apparent relative fixity of these “hot spots”.
地幔柱的下降与上升(现代全球)
whole-mantle convection
From Maruyama, 2002
25 Major Hotspots
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
MORB类型岩浆，受到陆壳混染，Sr、Nd同位素变化
Cc
f
Rc
研究对象岩浆岩i
陆壳混染c
1-f
MORB类型岩浆m
（受混染岩浆）
Cm
Rm
Ci
Ri
o 得到质量平衡方程： CiSr = fCcSr + (1-f) CmSr
CiSr· RiSr = fCcSr· RcSr + (1-f) CmSr· RmSr CiNd = fCcNd + (1-f) CmNd
在太阳系类地行星中，只有地球，形成45亿年来，没有停止演化， 从内到外物质和能量的交换，从未停止，内部一直保持活力，而且 发展出成熟的板块构造
地球内部系统
Dynamic Earth
行星的形成
主要陨石类型的相对含量
球粒陨石是石陨石的一种，它没有遭遇过母天体的 熔融或地质分异，因此结构没有改变过。几乎所有 球粒陨石均含有毫米大小，称为“球粒”的球形岩 石
2.1 地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构
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
地壳，0.4%
质量百分比：
地幔，67.2%(三分之二)
地核，32.4%(三分之一)
地幔橄榄岩包体 太行山南部—鹤壁
地幔橄榄岩包体 河北张家口大麻坪
上地幔的化学和标准矿物 组成 - 地幔包体资料
再循环模式Recycling Model
(Hofmann & White, 1982)
Whole-mantle convection with oceanic crust + lithosphere recycling in plumes
地幔柱的下降与上升(局部)
From Maruyama, 2002
EMI EMII HIMU
很低
最高
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
问题： 1. 稀土元素和不相容元素配分型式是否可以 揭示玄武岩来自亏损地幔还是富集地幔？ 2. MORB与OIB的Rb/Sr, Sm/Nd比值有什么 差别？
IAV = 岛弧火山岩
OIB = 洋岛玄武岩
中国科学院地质与地球物理研究所
中国科学院研究生院
2011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,Os,Hf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），地壳的基本结构和组成 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
问题： 亏损地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？
2.2 地球的圈层结构（2），地壳的基本结构和组成
大陆地壳的9种结构（Vp速度）类型
中国不同构造单元地壳的结构(Vp速度)
中国东部地壳的平均速度结构（Vp）
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
典型地壳的微量元素组成
问题：
1. 上、下地壳组分差别表现在哪些方面？ 2. 上、下地壳的Rb/Sr, Sm/Nd, U/Pb, Th/Pb, Lu/Hf 比值有什么差别？
上地壳 下地壳 古陆地壳
岩石圈地幔 软流圈地幔
Rb/Sr Sm/Nd U/Pb 很高 最低
Lu/Hf Re/Os
最低 最低 最高 最高
同位素示踪研究的基本思路
广义：建立壳幔物质的继承演化关系 狭义：确定岩浆的物质来源 手段：同位素、微量元素 展开背景： （1）地幔地球化学性质的差异，DM-EMI-EMII-HIMU-SCLM （2）上下地壳地球化学性质差异显著，LC-UC （3）深海沉积物、地外物质等，具有特殊地球化学性质 （4）不同的古老大陆，形成历史不同
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：
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 reservoirs). MORB and oceanic islands represent the isotopic composition of upper mantle and deep mantle respectively.
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。
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
二辉橄榄岩
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
软流圈和岩石 圈深度的地幔 矿物组合及相 变关系
斜长石 尖晶石 石榴石 二辉橄榄岩
来自百度文库
本质：Al晶体 结构位置随压 力和温度改变
问题：
上地幔矿物组成和主元素组成有什么特点？
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
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 = fCc· Rc + (1-f) Cm· Rm
普通球粒陨石
普通球粒陨石
球粒陨石与其他类型陨石的本质区别何在？
太阳系的元素丰度（Si=106） H=2.79×1010，He=2.72×109
C
O=2.38×107 ，C=1.01×107
碳质球粒陨石组 成与太阳光球的 组成基本一致
原始地幔组成 与碳质球粒陨 石组成的比值
问题：
1. 太阳中有Fe吗？ 2. 太阳、球粒陨石、地球的元素丰度 异同及其原因？
5 3 1 6
4 7 2
200 km
Continental Crust
400
Oceanic Crust Lithospheric Mantle Sub-lithospheric Mantle
Source of Melts
?
600 km
?
?
?
玄武岩分类：依据地幔源区
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。
CiNd· RiSr = fCcNdRcNd + (1-f) CmNdRmNd
o 给定任意一个f，可以计算出受混染岩浆的Sr, Nd含量 和比值CiSr、CiSr、RiSr、RiNd o 取RiSr=87Sr/86Sr为横坐标，RiNd=143Nd/144Nd为纵坐 标，可以得到混合线，如下图：
南美安第斯活动大陆边缘火山岩的Sr-Nd同位素
CiNd· RiNd = fCcNd· RcNd + (1-f) CmNd· RmNd
o 关注：受混染岩浆的RiSr、RiNd与混染程度f的关系 o 4个方程，5个未知数。MORB岩浆及混染地壳的 Sr, Nd含 量和比值为已知 CiSr = fCcSr + (1-f) CmSr
CiSr· RiSr = fCcSrRcSr + (1-f) CmSrRmSr CiNd = fCcNd + (1-f) CmNd
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（以幔源岩浆受到陆壳混染为例）
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.
大别山造山带地壳速度结构（王椿镛等，1997）
Alps orogen
460km
Ural orogen
480km
大别山造山带
300Km
世界著名造山带地壳断面对比图
华北克拉通中部地壳速度结构
Zheng TY et al., 2009, Geology
大陆上地壳的组成
大陆下地壳的主元素组成
典型地壳的稀土元素组成
碱性玄武岩
tsc hat ka
60¡
Alaska North America
70
Kam
40¡
55 Mio. Y. 42 28 20
PACIFIC OCEAN
20¡
Honolulu
0
Hawaii
160¡
180¡
160¡
140¡
120¡
J. Morgan„s Plume Model (1971)
Deep mantle plumes [Morgan, 1971] were proposed in 1971 to explain: • intraplate volcanism, and unusually large-volume volcanism on spreading plate boundaries (“hot spots”), • time-progressive volcanic chains, and • the apparent relative fixity of these “hot spots”.
地幔柱的下降与上升(现代全球)
whole-mantle convection
From Maruyama, 2002
25 Major Hotspots
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
MORB类型岩浆，受到陆壳混染，Sr、Nd同位素变化
Cc
f
Rc
研究对象岩浆岩i
陆壳混染c
1-f
MORB类型岩浆m
（受混染岩浆）
Cm
Rm
Ci
Ri
o 得到质量平衡方程： CiSr = fCcSr + (1-f) CmSr
CiSr· RiSr = fCcSr· RcSr + (1-f) CmSr· RmSr CiNd = fCcNd + (1-f) CmNd
在太阳系类地行星中，只有地球，形成45亿年来，没有停止演化， 从内到外物质和能量的交换，从未停止，内部一直保持活力，而且 发展出成熟的板块构造
地球内部系统
Dynamic Earth
行星的形成
主要陨石类型的相对含量
球粒陨石是石陨石的一种，它没有遭遇过母天体的 熔融或地质分异，因此结构没有改变过。几乎所有 球粒陨石均含有毫米大小，称为“球粒”的球形岩 石
2.1 地球的圈层结构（1），地幔的基本组成和结构
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
地壳，0.4%
质量百分比：
地幔，67.2%(三分之二)
地核，32.4%(三分之一)
地幔橄榄岩包体 太行山南部—鹤壁
地幔橄榄岩包体 河北张家口大麻坪
上地幔的化学和标准矿物 组成 - 地幔包体资料
再循环模式Recycling Model
(Hofmann & White, 1982)
Whole-mantle convection with oceanic crust + lithosphere recycling in plumes
地幔柱的下降与上升(局部)
From Maruyama, 2002
EMI EMII HIMU
很低
最高
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
问题： 1. 稀土元素和不相容元素配分型式是否可以 揭示玄武岩来自亏损地幔还是富集地幔？ 2. MORB与OIB的Rb/Sr, Sm/Nd比值有什么 差别？
IAV = 岛弧火山岩
OIB = 洋岛玄武岩
中国科学院地质与地球物理研究所
中国科学院研究生院
2011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,Os,Hf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），地壳的基本结构和组成 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
问题： 亏损地幔和富集地幔，位于地幔的不同部位？
2.2 地球的圈层结构（2），地壳的基本结构和组成
大陆地壳的9种结构（Vp速度）类型
中国不同构造单元地壳的结构(Vp速度)
中国东部地壳的平均速度结构（Vp）
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
典型地壳的微量元素组成
问题：
1. 上、下地壳组分差别表现在哪些方面？ 2. 上、下地壳的Rb/Sr, Sm/Nd, U/Pb, Th/Pb, Lu/Hf 比值有什么差别？
上地壳 下地壳 古陆地壳
岩石圈地幔 软流圈地幔
Rb/Sr Sm/Nd U/Pb 很高 最低
Lu/Hf Re/Os
最低 最低 最高 最高
同位素示踪研究的基本思路
广义：建立壳幔物质的继承演化关系 狭义：确定岩浆的物质来源 手段：同位素、微量元素 展开背景： （1）地幔地球化学性质的差异，DM-EMI-EMII-HIMU-SCLM （2）上下地壳地球化学性质差异显著，LC-UC （3）深海沉积物、地外物质等，具有特殊地球化学性质 （4）不同的古老大陆，形成历史不同
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：
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 reservoirs). MORB and oceanic islands represent the isotopic composition of upper mantle and deep mantle respectively.
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。
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
二辉橄榄岩
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
软流圈和岩石 圈深度的地幔 矿物组合及相 变关系
斜长石 尖晶石 石榴石 二辉橄榄岩
来自百度文库
本质：Al晶体 结构位置随压 力和温度改变
问题：
上地幔矿物组成和主元素组成有什么特点？
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
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 = fCc· Rc + (1-f) Cm· Rm
普通球粒陨石
普通球粒陨石
球粒陨石与其他类型陨石的本质区别何在？
太阳系的元素丰度（Si=106） H=2.79×1010，He=2.72×109
C
O=2.38×107 ，C=1.01×107
碳质球粒陨石组 成与太阳光球的 组成基本一致
原始地幔组成 与碳质球粒陨 石组成的比值
问题：
1. 太阳中有Fe吗？ 2. 太阳、球粒陨石、地球的元素丰度 异同及其原因？