第七讲 同位素地球化学Re-Os同位素体系

Vanwestrenen et al. 2000
Experimental
Fleet et al. 1999
Experimental
Watson et al. 1987
Experimental
Brenan et al. 2003
1.56 2.6 Experimental Brenan 2008
Sulfide Liquid
Continental Crust 0.05 0.05 0.1 0.06 0.4 1.74 1.21 0.4
为什么原始地幔中包括PGE在内贵金属的含量明显低于球粒陨石？
Concentration ratios, core/mantle and crust/mantle, for the elements Nd, Pb, Rh, Os and Pt
第七讲 Re-Os同位素体系
辉钼矿
锇铱矿(IrOs)
Molybdenite
自然锇和自然金
• Mineral Rheniite (铼矿，ReS2).
• 首次发现地: Kudriavy (Kudryavyi) volcano, Iturup Island, Kuril Islands, Sakhalinskaya Oblast‘, Far-Eastern, Russia
22 22377 Experimental Brenan 2008
Os的分配系数(GERM Partition Coefficient (Kd) Database, 2015)
Rock Type Mineral
Value SD Low High
Kd Type
Reference
Ankaramite, Basalt
Table 1 Osmium isotope ratios and isotope percentage for the University of Maryland at College Park (UMCP) Johnson-Matthey Os standarda
Isotopic ratio Measured value Isotope
Pt-Os法只在近年开始得到应用，原因是190Pt的半衰变 长达约430Ga(= 1.477 10-12 a-1)，且其在铂元素中的 丰度仅为0.013 %。因此，自然界中由Pt元素衰变引起 的186Os改变量极小而测量困难。此外，虽然186Os本身 也具放射性，但其半衰期如此之长，以至于在地质上可 以将其视为稳定同位素。
Re为中等不相容元素，而Os为相容元素，即Os在部分熔 融过程中进入岩浆的量十分有限，导致其在地壳中的含量 大大低于其在地核和地幔中的含量。
Re的分配系数(GERM Partition Coefficient (Kd) Database, 2015)
Rock Type Basalt Basalt FCMAS FCMAS Fe-Ni-S
0.072 200 20000
0.42 0.06 1.79 1.73 276 4780
0.035 0.0008
Experimental
Hart & Dunn 1993
Experimental
Jones & Drake 1986
Experimental
Vanwestrenen et al. 2000
Experimental
0.0
MORB
Crust Formation
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Time (Ga)
亏损地幔与上地壳Os同位素比值随时间的演化
187187OsO/s1/81888OOsS
0.14
0.13
Plumes
Asthenospheric
Mantle
0.12
0.11
Continental 0.10 Lithospheric Mantle
Carlson, 1998, Nature
地球PGE分配特征的成因假说
由于PGE为强亲铁元素，在地球形成初期大量进入地 核，进而导致硅酸岩地球(原始地幔)亏损 PGE；
研究发现，相对于现有的地核成因模型，硅酸岩地球 的PGE实际含量偏高。据此提出了地球形成后因受到 强烈的陨石轰击(late heavy bombardment, LHB)的证 据，该轰击作用导致了地球外部(硅酸岩地球)PGE含 量增加。
7.2 Re-Os同位素地球化学特征
Re由两个同位素组成： 185Re 184.952956 37.40% 187Re 186.955751 62.60%
其中187Re为放射性同位素，即经衰变形成187Os子体。
Re-Os同位素地球化学特征
Os有7个天然同位素： 184Os 183.952491 186Os 185.953838 187Os 186.955748 188Os 187.955836 189Os 188.958145 190Os 189.958445 192Os 191.961479
Olivine
200
phenocryst-matrix Hart & Ravizza 1996
Basalt Clinopyroxene 0.01
Calculated
McKenzie & O'Nions 1991
Basalt
MSS
3.7 5.3
Experimental
Fleet et al. 1993
Measurements made by multicollection in Faraday cups in static mode. Fractionation was corrected using a 192Os/188Os ratio of 3.08271 (Luck & All`egre1983). b Variable in the nature.
0.075
Picrite, Basalt
Olivine
20
5
Picrite, Basalt
Sulfide
2000000
Synth MORB Olivine
Experimental Experimental phenocryst-matrix phenocryst-matrix 0.001 Experimental
亲铁元素(Siderophile Elements)
趋于在金属相中富集的元素；
亲气元素(Atmophile Elements)
趋于以气态形成存在的元素。
7.1 Re-Os元素地球化学特征
Re和Os均属亲铁元素，同时存在一定程度的亲硫趋向。 这一特征导致两元素主要富集于地核中，使得其在地幔和 地壳中含量较低；
Brenan 2008
Re-Os元素地球化学特征
PGE on the Earth ( in ppb)
Element
Os Ir Ru Rh Pt Pd Au ReБайду номын сангаас
Chondrite
486 481 712 134 990 560 140 36.5
Primitive Mantle 3.4 3.2 5 0.9 7.1 3.9 1 0.28
1.4
crust with
1.2
187Re/188Os = 19.3
1.0
187Os/188OS
0.8
chondritic initial
0.6
187Os/188Os = 0.096
0.4 mantle
0.2
187Os/188Os = 0.127
0.0
0
1
2
3
4
Time, Ga
Schematic evolution of Os isotope ratios in the mantle and crust
内容提要
Re-Os元素地球化学特征 Re-Os同位素地球化学特征 Re-Os同位素等时线与模式年龄 Os同位素示踪原理与应用
元素地球化学分类
亲石元素(Lithophile Element)
趋于在硅酸盐或氧化物中富集的元素；
亲铜元素(Chalcophile Elements)
趋于在硫化物中富集的元素；
0.02 1.59 1.96 13.24 16.15 26.26 40.78
其中187Os和186Os分别为187Re和190Pt的衰变子体。
Re-Os同位素地球化学特征
187Re的半衰期为约42 Ga(= 1.666 10-11 a-1)，且Re的 地球化学性质与钼元素十分相近，因此 Re-Os体系作为 定年(如辉钼矿)和示踪研究方法较早得到了地质应用；
ondrite 10-3 spinel peridotite
Pd (Re)
loess
10-4
crustal materials
10-5
球粒陨石标准化的地壳和地幔PGE分配曲线
Re-Os元素地球化学特征
地表条件下，Os为+4价，其离子半径为0.69Å，与其它铂 族元素相似，常在硫化物矿物中富集(形成合金，如硫钌 锇矿)。Re的电价也为+4价，其离子半径为0.63Å，与Mo 相似，故常在辉钼矿中富集。然而，在地幔和岩浆中，两 元素趋于呈 +1或0价；
Haplobasalt, Basalt
Synth MORB
Mineral Clinopyroxene
Metal Clinopyroxene
Garnet Fe-Ni Metal Cr Diopside, Clinopyroxene
Olivine MSS
Value SD Low High
Kd Type
Reference
壳-幔端元Os同位素演化趋势图
Re、Os元素分属不相容和相容元素，地幔岩石部分熔融导致地壳岩石中的 Re/Os比值大大高于地幔岩石，故壳-幔Os同位素演化表现出明显差异
187Os/188Os
1.8
1.5 Upper Crust
Average
1.2
0.9 0.6
0.3
Depleted mantle (Re/Os =0.4)
Fleet & Stone 1991 Watson et al. 1987 Hart & Ravizza 1996 Hart & Ravizza 1996 Brenan et al. 2003
MSS
1.89 3.26
Experimental
Brenan 2008
Sulfide Liquid
413 296370 Experimental
Re-Os元素地球化学特征
与同属REE(亲石元素)的Sm-Nd不同，岩浆作用过程 中由于两元素(亲硫-亲铁元素)相容性性质的差异，使 得Re与Os之间的地球化学行为出现差异，即具脱偶性 (de-coupling)。
因此，Re-Os同位素年代学体系具有其独特的定年应 用领域(如确定地幔岩石的形成年龄)，且Os同位素可 提供不同于均属亲石元素的Nd、Sr、Pb同位素的地球 化学信息，构成多元地球化学示踪研究的重要指标。
Fe-Ni-S Fe-Ni Metal
541 5140
Experimental
Fleet et al. 1999
Fe-Ni-S Fe-Ni Metal
299 5700
Experimental
Fleet et al. 1999
Fe-Ni-S
Pt-Fe Alloy
15
Haplobasalt, Cr Diopside, Basalt Clinopyroxene
Meteorite Initial
0.09
0
1
2
3
4
Time, Ga
187Os/188Os evolution in the mantle as deduced from analyses of osmiridum and laurite grains in ancient mantle peridotites, initial ratios in peridotites, and modern oceanic peridotites and basalts. The pattern is consistent with other isotopic systems: the asthenospheric mantle is more incompatible element-depleted than mantle plumes, which produce oceanic island basalts. The mantle root of continents (lithospheric mantle), appears to have been depleted in Re by melt extraction.
188Os
13.29
190Os/188Os 1.98451 ± 16
189Os
16.22
192Os/188Os 3.08271
190Os
26.38
192Os
40.98
a Errors quoted are 2 of the population of 15 measurements on 30-ng aliquots of standard.
Percentage composition
184Os/188Os 0.0013313 ± 13 184Os
0.0177
186Os/188Osb 0.119848 ± 8
186Os
1.593
187Os/188Osb 0.113791 ± 15 187Os
1.513
189Os/188Os 1.21967 ± 14
Os为铂族元素之一，在6个元素(Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt)中 丰度最低。尽管存在离子半径和电价的区别，6个铂族元 素的行为具有相似性，常用类似于研究REE的方法表达其 组成。
Sample/Chondrite
0.1
Os
Ir
Ru
Pt
picrite
0.01
mple / mantle materials