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放射性同位素地球化学(下)

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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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 )d,s,球的圈层结构( 1),球的圈层结构( 2),样综合使用同位素地球化学方法鉴别岩浆来源同位素 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, 2)上下地壳地球化学性质差异显著, 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通球粒陨石球粒陨石与其他类型陨石的本质区别何在?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 ” 的球形岩石太阳系的元素丰度( 06)H=1010, 109O=107 , C=107. 太阳中有 . 太阳、球粒陨石、地球的元素丰度异同及其原因?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, 幔, 三分之二 )地核, 三分之一 )质量百分比:地幔橄榄岩包体 太行山南部 —鹤壁地幔橄榄岩包体 河北张家口大麻坪二辉橄榄岩上地幔的化学和标准矿物组成 - 地幔包体资料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本质: 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-大洋岛的形成碱性玄武岩60 ¡40 ¡20 ¡160 ¡ 160 ¡A l a s k o r t hA m e r i c I F I 140 ¡ 120 ¡180 ¡H a w a i iH o n o l u l M i o . Y s 1971)1971] 971 to on “,• of 再循环模式 1982) in 局部 )2002地幔柱的下降与上升 (现代全球 )200225 类1 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 形成于弧后扩张脊。弧后盆地宽度 60- 1000 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 形成海山、大洋岛、或岛链5 岛弧或 产生于大陆裂谷早期阶段,或形成溢流玄武岩。这类岩石与 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 陆内裂谷3. 岛弧火山岩 活动大陆边缘5. 弧后盆地6. 洋岛玄武岩 各种陆内岩浆活动 金伯利岩,碳酸盐岩,斜长岩? ???600 46 7 2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 (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 ( 分出了亏损地幔和富集地幔,发现了地幔存在 4个端元。问题:亏损地幔和富集地幔,位于地幔的不同部位?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( 型中国不同构造单元地壳的结构 (中国东部地壳的平均速度结构( 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,辉石岩大别山造山带地壳速度结构(王椿镛等, 1997)460 00 Y et 2009, . 上、下地壳组分差别表现在哪些方面?2. 上、下地壳的 r, d, U/b, f 比值有什么差别?r d U/u/e/高下地壳 最低古陆地壳岩石圈地幔 最低软流圈地幔 最低 最高 最高低源岩浆岩的组分差别. 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. b/ 岛弧火山岩 洋岛玄武岩r - Pb in of 合过程的数学表达简单混合模式二元混合 三元混合42001) 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)幔源岩浆 代表元素浓度,如 87614344o 根据质量平衡可得下列方程: (1i = c + (1到陆壳混染, 到质量平衡方程: (1 (1i(受混染岩浆)1 (1 (1个方程, 5个未知数。 r, (1 (1 (1 (1定任意一个 f,可以计算出受混染岩浆的 764344以得到混合线,如下图:o 关注:受混染岩浆的 Nd of et (1976), et (1979), 1982), et (1984), et (1984), et (1984), et (1986), 1988), , et (1988), et (1991), 1991), et (1991), 1992). 2001) 1976)和 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D= 0 ( 其中 x, 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( x2,系数可表示为:• A= B= ;• C= D= 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, 值 时为为一双曲线,系数为A= 值 设 b= 1,这时:A= a2 r= a1/r≠1时,仍为一条受 素 a= b= 1,A= 0 r= 1C= 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, 致源区混合 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 成上凸型双曲线。因此可应用 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, 此反映源区特征洋岛玄武岩类 (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 不存在简单的二元混合关系1982)提出,由亏损 富集物质的 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 为地幔平面 (但 985)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• 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 定出四个地幔端元,分别为 中脊亏损地幔端元 )、 集 及 U/。其中,将 4344 ‘”,代表了 由于低 明混合端元间具相似的 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 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, 1987)和 1992)对大量 76143440604207040804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 876143440604在以含了 >97%的大洋环境玄武岩的同位素组成范围。地幔端元四面体,按样品点统计地幔端元四面体,按研究地区统计。图中显示各地区 表了下地幔端元。三维同位素体系中的地幔产端元四面体 (彩图 )地幔端元的成因认识• 地幔端元的划分,其实质是对富集地幔端元 (因的分析。通常的理解是,上地幔部分熔融作用形成玄武质洋壳,其熔融残余演化成不相容元素亏损的上地幔端元 集地幔端元的形成显然需要有岩石圈物质再循环作用或流体物质交代作用的参与。1) 多数研究者将 对 U/点之一:俯冲过程中因洋壳物质发生脱水作用,铀呈 +4价保持稳定,而 俯冲洋壳 值增高,该认识得到岛弧火山岩 比值高出外,发生过高 U/陆岩石圈拆沉作用也被作为形成 ) 对 由于俯冲的大陆碎屑物质加入所致,因为该端元正好位于亏损地幔与大洋沉积物的混合线上。3) 部分研究者将 由大洋泥质沉积物为主而区别于以陆源碎屑为主的 多数研究者趋向于认同,发生过交代作用的岩石圈再循环作用是主要成因,而发生再循环作用的方式来自大陆克拉通边缘的大陆岩石圈俯冲作用。一般在地幔的最上部,亏损不相容元素,代表地壳从地幔分异后的残留物幔与再循环洋壳的混合,由于洋低热液作用或俯冲带的脱水作用,造成 值升高和 I 区的鉴别1. 亏损地幔 ) = 区41986), et (1984), et (1986) 1989). 2. 体硅酸盐地球或原始均一库 = 41986), et (1984), et (1986) 1989). 4. I 富集地幔 876> 高于任何合理的地幔源区41986), et (1984), et (1986) 1989). 3. 富集地幔 I, 876低5. 主体地幔41986), et (1984), et (1986) 1989). 41989) 6. 高 值地幔41989) 1985), 1984), et (1984). 实际存在的地幔端元有 4个f - c) 洋岛玄武岩(b) 大洋橄榄岩(a) 大陆岩石圈下的橄榄岩d - 上地幔是不均一的,存在 4个组分端元,他们的同位素组成有显著差别。 亏损地幔对应于软流圈地幔,富集地幔有不同的形成机制。怎样综合使用同位素地球化学方法鉴别岩浆来源大洋地壳的年龄
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