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1、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放射性同位素地球化学( (下下) )SrSr、NdNd、PbPb同位素在岩石成因和壳幔演化研究中的应用同位素在岩石成因和壳幔演化研究中的应用2.1 2.1 地球的圈层结构（地球的圈层结构（1 1），地幔的基本组成和结构），地幔的基本组成和结构 2.2 2.2 地球的圈层结构（地球的圈层结构（2 2），地壳的基本组成和结构），地壳的基本组成和结构 2.3 2.3 幔源岩浆岩组分的差别幔源岩浆岩组分的差别 2.4 2.4 混合过程的数学表达混合过程的数学表达 2.5 2.5 洋岛玄武岩与地
2、幔端元洋岛玄武岩与地幔端元 2.6 2.6 源区的鉴别源区的鉴别 2.7 2.7 怎样综合使用同位素地球化学方法鉴别岩浆来源怎样综合使用同位素地球化学方法鉴别岩浆来源2.1 2.1 地球的圈层结构（地球的圈层结构（1 1），地幔的基本组成和结构），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
3、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上地幔下地幔过渡带软流圈问题：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。亏损地幔的贡献大洋地壳的形成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富集地幔的贡献大洋岛的形成碱性玄武岩Jason Morgans Plume Model Upwelling from thermal boundar
4、y 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 plumesMantle plume dynamics is well understood:Instability of hot boundary layer at the base of the mantle (or from the 660 km discontinuity). Hot, low d
5、ensity materal rises in a narrow cylinder, typically forming a large mushroom head“ as it rises.Plume Dynamics (Lin & van Keken)Thermo-chemical Plumes (Farnetani & Samuel)Plume experiment in your kitchen25 Major Hotspots板块构造与火成岩成因1. 洋中脊玄武岩MORB 2. 陆内裂谷 3. 岛弧火山岩IAV、 IAB 4. 活动大陆边缘5. 5. 弧后盆地弧后盆地 6. 6. 洋
6、岛玄武岩洋岛玄武岩OIBOIB 7. 7. 各种陆内岩浆活动各种陆内岩浆活动uu金伯利岩，碳酸盐岩，斜金伯利岩，碳酸盐岩，斜 长岩长岩? 600 km400200 km Continental CrustOceanic CrustLithospheric MantleSub-lithospheric MantleSource of Melts1534672现代大洋玄武岩可以按照产出的构造环境分为5类1 MORBMORB (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)
7、，形成于弧后扩张脊。弧后 盆地宽度601000km。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 OIBOIB (Ocean Island Basalts)，形成海山、大洋岛、或岛链5 IABIAB (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？2.2 2.2 地球的圈层结构
8、（地球的圈层结构（2 2），地壳的基本组成和结构），地壳的基本组成和结构大陆地壳的大陆地壳的9 9种结构（种结构（VpVp速度）类型速度）类型大陆地壳的岩石学结构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稀土元素组成典型地壳的微量元素组成典型地壳的微量元素组成问题：上地壳和下地壳组分差别表现在哪些方面？2.3 2.3 幔源岩浆岩的组分差别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Sr
9、同位素Nd同位素MORB 洋中脊玄武岩幔源岩浆岩Sr - Nd同位素组成的相关性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
10、these reser-voirs). MORB and oceanic islands represent the isotopic composition of upper mantle and deep mantle respectively.主要岩浆岩源区的 Pb同位素组成特征2.4 2.4 混合过程的数学表达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作用普遍存在混合过程的
11、定量模型-幔源岩浆受到陆壳混染幔源岩浆mfC Cm mC Ci io 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：C Ci i= = f fC Cc c+ + (1-f) (1-f) C Cm mC Ci iRRi i= = fCfCc cR Rc c+ (1-f) + (1-f) C CmmR Rmm陆壳混染c岩浆岩i1-fC Cc cR Rm mR Ri iR Rc cSr vs. Nd isotopic ratios for the three zones of the Andes. Da
12、ta 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.), Wrner et al. (1988), Walker et al. (1991), deSilva (1991), Kay et al.
13、(1991), Davidson and deSilva (1992). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.南美安第斯活动大陆边缘火山岩的Sr-Nd同位素通用二元混合方程 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AxBxyCyD0 （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
14、坐 标即比值为（x1，y1）（x2，y2）时系数可表 示为： Aa2b1y2-a1b2y1 Ba1b2a2b1 ； Ca2b1x1-a1b2x2 Da1b2x2y1a2b1x1y2ra1b2/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u比值-比值，此时为为一双曲线，系数为 Aa2b1y2-a1b2y1 Ba1b2a2b1ra1b2/a2b1 Ca2b1x1-a1b2x2 Da1b2x2y1a2b1x1y2 u比值-元素，如设x轴为元素，则b1，这时：Aa2y2a1y1Ba1a2 ra1/a
15、2Ca2x1a1x2Da1x2y1a2x1y1 当r1时，仍为一条受B控制的双曲线 u元素-元素，ab1，Ay2y1B0 r1Cx1x2Dx2y1x1y2 此时，为一直线方程。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 。2.5 2.5 洋岛玄武岩与地幔端元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
16、、 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Nd- Sr-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。地幔平面地幔平面 Hart等(1986)认为，地幔平面只是地幔端元混合 的一个投影面。通
