（地球化学专业论文）汉诺坝玄武岩reos同位素地球化学.pdf

摘要 摘要 玄武岩是地球表面分布最广泛的一种岩石，大洋玄武岩地球化学研究是当 今地球科学中的核心理论一“板块构造理论”和“地幔柱理论”的重要基础。 现在r e o s 同位素体系已广泛应用于大洋中脊玄武岩( m o r b ) 、洋岛玄武岩 ( o i b ) 、大陆溢流玄武岩( c f b ) 和大火成岩省玄武岩( l i p b ) 的研究。 我国河北汉诺坝新生代玄武岩是大陆裂谷型玄武岩，多年来中外学者在元 素和同位素地球化学基础上，对于汉诺坝碱性玄武岩和拉斑玄武岩的形成和 演化以及两类玄武岩的成因关系进行了广泛深入的研究，形成了基本共 识。碱性玄武岩来源于比较均一的软流圈地幔，拉斑玄武岩来源于不均一 的富集陆下岩石圈地幔。地幔源区经不同程度部分熔融形成的熔体在高压 下经过不同程度的镁铁矿物分离结晶作用。 本文率先开展了汉诺坝玄武岩的r e o s 同位素地球化学研究，获得了 2 9 个玄武岩样品的r e 、o s 元素含量和1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 比值。o s 含量范围为 1 1 3 1 4 p p t ，r e 含量范围为4 0 j 2 3 8 p p t ，埔7 0 s 1 8 8 0 s 比值范围为o 1 4 7 3 5 - - 0 6 1 1 3 6 。汉诺坝玄武岩的r e 和o s 含量分布在洋岛玄武岩( o i b ) 的变化 范围的右下部，即相对高o s 低r e 的部分，r e 、o s 含量有正相关性，总 体上碱性玄武岩的r e 、o s 含量高于拉斑玄武岩和过渡玄武岩的。碱性玄 武岩的r e 、o s 分别与作为部分熔融程度指标的不相容微量元素和分离结 晶程度指标的相容微量元素之间存在显著的正相关性，反映了r e 、o s 在 熔融和结晶作用中的行为。碱性玄武岩的1 8 7 0 s ”8 0 s 比值低而变化小，拉 斑玄武岩和过渡玄武岩”7 0 s 1 8 8 0 s 比值高而变化大。总体上，汉诺坝玄武 岩的1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 比值与o s 含量有明显的负相关性，当o s 含量低于7 5 p p t ， 随着o s 含量降低1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 比值迅速升高，反映了地壳混染在玄武岩、 尤其在拉斑玄武岩和过渡玄武岩成因中的贡献。在以往研究中没有观察到 明显的地壳混染作用，说明了r e o s 同位素体系在示踪壳源物质上的优势。 过渡玄武岩与拉斑玄武岩的r e o s 同位素性质是一致的，与以往的观察有所不 同。个别o s 含量较高的拉斑玄武岩的1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 比值表明其地幔源区不是亏 损的s c l m ，但是“大理石花纹饼 结构的s c l m 作为其地幔源区是可能的。 总之，汉诺坝玄武岩的r e o s 同位素地球化学支持了以往研究的主要结论，并且 揭示了一些新的现象。 玄武岩的r e 、o s 含量很低，特别o s 含量极低，降低r e o s 同位素测 试方法的全流程本底极为必要，目前本实验室最好的o s 本底为2 p g 左右， 摘要 尚不适应对玄武岩进行高水平研究的需要。 关键词：r e o s 同位素；玄武岩；地幔；汉诺坝；本底。 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s a l t sa r et h em o s te x t e n s i v ed i s t r i b u t e dr o c k so v e rt h ee a r t h ss u r f a c e t h e g e o c h e m i s t r yo fo c e a n i cb a s a l t s i st h ef o u n d a t i o no ft h ec o r et h e o r y , p l a t e t e c t o n i c s a n d “p l u m eh y p o t h e s i s ”i nm o d e r ne a r t hs c i e n c e s n o w a d a y sr e o s i s o t o p i cs y s t e mh a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di ng e o c h e m i s t r yo fv a r i o u sb a s a l t s ， s u c ha sm i d - o c e a nr i d g eb a s a l t s ( m o r b ) ，o c e a n i ci s l a n db a s a l t s ( o r e ) ，c o n t i n e n t a l f l o o db a s a l t s ( c f b ) a n dl a r g ei g n e o u sp r o v i n c eb a s a l t s ( l i p ) t h ec e n o z o i cb a s a l t sf r o mh a n n u o b a ，n o r t hc h i n ab e l o n gt ot h e c o n t i n e n t a lr i f tb a s a l t t h ec o n s e n s u so nt h eo r i g i na n de v o l u t i o no fh a n n u o b a b a s a l t sa r ea l m o s tr e a c h e da m o n gt h er e s e a r c h e r sb a s e do nt h ep r e v i o u s c o m p r e h e n s i v ee l e m e n t a la n di s o t o p i cg e o c h e m i c a ls t u d i e s t h ea l k a l ib a s a l t s w e r ed e r i v e df r o mt h er e l a t i v e l yh o m o g e n e o u sa s t h e n o s p h e r i em a n t l e ，a n dt h e t h o l e i i t i eb a s a l t sw e r ed e r i v e df r o mr a t h e rh e t e r o g e n e o u se n r i c h e dm a n t l e m e l t sw e r ep r o d u c e db yp a r t i a lm e l t i n go f m a n t l es o u r c ei nd i f f e r e n td e g r e e ， a n d e x p e r i e n c e d f r a c t i o n a l c r y s t a l l i z a t i o n i nd i f f e r e n t d e g r e e s ，o f f e r r o m a g n e s i a nm i n e r a l su n d e rh i g hp r e s s u r e t h ew h o l er o c kr e o si s o t o p i cd a t ao f 2 9b a s a l ts a m p l e sf r o mh a n n u o b a ， n o r t hc h i n aa r er e p o r t e di nt h i st h e s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh a n n u o b a b a s a l t sh a v er e l a t i v e l yh i g ho sa b u n d a n c e s ( 11 - 314 p p t ) a n dr e l a t i v e l yl o wr e a b u n d a n c e s ( 4 0 2 38 p p t ) w i t h i nl a r g er ea n do sa b u n d a n c er a n g eo fo i b ，a n d t h e i ro si s o t o p i cr a t i o s ( 1 9 7 0 s 1 8 8 0 s ) r a n g ef r o m o 1 4 7 3 5t o0 6 11 3 6 ap o s i t i v e c o r r e l a t i o ni so b s e r v e db e t w e e no sa n dr ea b u n d a n c e si nh a n n u o b ab a s a l t s ， a n dt h er ea n do sa b u n d a n c e so fa l k a l ib a s a l t sa r er e l a t i v e l yh i g h e rt h a nt h a t o ft h o l e i i t i ca n dt r a n s i t i o n a lb a s a l t s t h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o ni so b s e r v e d b e t w e e nt h ea b u n d a n c e so fr ea n di n c o m p a t i b l et r a c ee l e m e n t si n d i c a t i n gt h e d e g r e eo fp a r t i a lm e l t i n gi na l k a l ib a s a l t s a l s ot h e r ei st h ep o s i t i v ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ea b u n d a n c e so sa n dc o m p a t i b l et r a c ee l e m e n t si n d i c a t i n gt h e d e g r e eo ft h ef r a c t i o n a lc r y s t a l l i z a t i o n i na l k a l ib a s a l t s t h eb o t ht r e n d s r e f l e c t e dt h ee l e m e n t a r yb e h a v i o ro fr ea n do si nt h ep a r t i a lm e l t i n ga n dt h e f r a c t i o n a lc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s s e s t h ea l k a l ib a s a l t sh a v es l i g h t l yr a d i o g e n i c o si s o t o p i cc o m p o s i t i o n sw i t h i nn a r r o wr a n g e ，w h e r e a st h et h o l e i i t i ca n dt h e t r a n s i t i o n a lb a s a l t sh a v em o r eh i g hr a d i o g e n i co si s o t o p i cc o m p o s i t i o n sa n d i i i a b s t r a c t w i d e r a n g e an e g a t i v e c o r r e l a t i o ni so b s e r v e db e t w e e no s i s o t o p i c c o m p o s i t i o n sa n do sa b u n d a n c e si nh a n n u o b ab a s a l t s t h e 18 7 0 s 1 8 8 0 sr a t i o s r a i s e sr a p i d l ya so sa b u n d a n c e sd e c r e a s eb e l o w7 5p p t ，w h i c hr e f l e c t st h a tt h e s i g n i f i c a n te f f e c t so fc r u s t a lc o n t a m i n a t i o no nt h eo r i g i no ft h eb a s a l t s ，e s p e c i a l l y f o rt h a to ft h o l e i i t i ca n dt h et r a n s i t i o n a lb a s a l t s t h ec r u s t a lc o n t a m i n a t i o no f h a n n u o b ab a s a l t ss h o w e db yr e o si s o t o p i cs y s t e m a t i c si sc l e a r e rt h a nt h a tb yo t h e r l i t h o p h i l ei s o t o p es c h e m e s ，f o re x a m p l e ，s r - n d - p bi s o t o p e si np r e v i o u ss t u d i e s t h e r e f o rr e o si s o t o p i cs y s t e mi sm o r ep o w e r f u lt h a ns r - n d p bi s o t o p i cs y s t e m s f o rt r a c i n gc r u s tc o n t a m i n a t i o ni np e t r o g e n e s i s t h et r a n s i t i o n a lb a s a l t sa r e i n d i s t i n g u i s h a b l ew i t ht h o l e i i t i cb a s a l t si nr e o si s o t o p eg e o c h e m i s t r y , b u t t h e ya r ed i f f e r e n ti no t h e re l e m e n t a la n di s o t o p i ca s p e c t si np r e v i o u ss t u d i e s a f e wt h o l e i i t i es a m p l e sw i t hr a t h e rh i 曲o sa b u n d a n c eh a v er a d i o g e n i co si s o t o p i c c o m p o s i t i o n sw h i c hp r o b a b l ei n d i c a t e st h a tt h o l e i i f i cb a s a l t sw e r ed e r i v e df r o m m a r b l ec a k e ”m a n t l e ，n o tf r o m n o r m a lp e r i d o t i t em a n t l e r ea n do sa b u n d a n c e s ，e s p e c i a l l yo sa r ee x t r e m e l yl o wi nb a s a l t s ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt or e d u c et o t a lp r o c e d u r eb l a n kf o rr e - o si s o t o p i cs c h e m ea n a l y s i s t h et o t a lp r o c e d u r eb l a n ko fo si n0 1 1 1 l a b o r a t o r yi s 2 p gw i t ho p t i m u mc o n d i t i o n ， b u tt h i si ss t i l ln o ts u i t a b l ef o rb a s a l ts t u d yi nh i 曲q u a l i t y k e yw o r d s ： r e o si s o t o p es c h e m e ；m a n t l es o u r c e ；h a n n u o b ab a s a l t s ；t o t a l p r o c e d u r eb l a n k i v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：琳 2 0 。7 年g 月弓日 卵 叶 7 吁 q 玎 第一章玄武岩r e - o s 同位素地球化学基础 第一章玄武岩r e - o s 同位素地球化学基础 1 1r e - o s 同位素体系的化学和地球化学性质 1 1 1无机化学性质 铼( r e ) 位于元素周期表中第六周期，第v i i b 族，原子序数7 5 ，原子量 1 8 6 2 0 6 7 9 0 0 0 0 3 1 ( g r a m l i c he ta 1 ，1 9 7 3 ) ，外层电子构型5 d 6 6 s 2 。氧化态变化 从一1 到+ 7 ，但在自然界中以+ 4 和+ 7 为主( m o r g a n , 1 9 9 7 a ) 。r e 不溶于氢氟 酸和氢氯酸，但易溶于氧化性的酸如h n 0 3 和浓h 2 s 0 4 ，形成高铼酸( h r e 0 4 ) ， 也易溶于溴水( g r e e n w o o da n de a m s h a w , 1 9 8 4 ) 。r e 第一电离势7 8 8 e v 。 锇( o s ) 位于元素周期表中第六周期，第v i i i b 族，原子序数7 6 ，原子量 1 9 0 2 1 4 4 0 0 0 0 1 ( m1 9 9 5 ) ，外层电子构型5 d 6 6 s 2 。与r u 、r h 、p d 、i r 和p t 统称铂族元素( p g e ) ，在地球化学研究中，p g e 常分为两个亚组：i r 亚组( 口g e ： o s 、i r 和r u ) 和p d 亚组( p p g e ：p t 、r h 和p d ) 。o s 的氧化态从0 到+ 8 ，但 在自然界以0 、+ 3 和+ 4 为主( m o r g a n ，1 9 9 7 b ) 。o s 不与非氧化性酸作用，但 与氧化剂在一起通常很容易起反应，例如能被浓h n 0 3 氧化成o s 0 4 ，而且在有 n a 2 0 2 或k c l 0 3 等氧化性助熔剂存在时，能溶于强碱熔体中，生成锇酸盐 【o s 0 2 ( o h ) 4 z 。( g r e e n w o o da n de a r n s h a w , 1 9 8 4 ) 。o s 第一电离势8 7 e v 。由于 r e 和o s 的第一电离势很高，不能用常规的正离子热电离质谱( p t i m s ) 方法 分析，需采用负离子热电离质谱( n 。t i m s ) 方法分析。 o s 最典型的化合物是o s 0 4 ，黄色，有毒，具挥发性，熔点4 0 ( 2 ，沸点1 3 0 。在空气中加热金属锇或用硝酸氧化锇的化合物即产生o s 0 4 。它溶于强碱的 水溶液中生成 o s v l u 0 4 ( o h ) 4 厶，能把浓盐酸氧化成c 1 2 ，而本身被还原为h 2 0 s c l 6 ( g r e e n w o o da n de a r n s h a w , 19 8 4 ) 。 o s 在正常情况下最稳定的氧化态是i v ，( n h 4 ) 2 0 s c l 6 和k 2 0 s c l 6 常作为标 准物校正o s 稀释剂，但( n h 4 ) 2 0 s c l 6 会吸水，并且受热分解，不如k 2 0 s c l 6 稳定， 目前认为后者是最好的校准稀释剂的标准物质( ne ta 1 。2 0 0 1 ) 。 1 1 2 同位素化学性质 i 沁有两个天然同位素1 8 5 r e 和1 8 7 r e ，在自然界中的丰度分别为3 7 3 9 8 士0 0 1 6 和6 2 6 0 2 - - 1 ：0 0 1 6 ，摩尔质量分别为1 8 4 9 5 3 0 和1 8 6 9 5 6 0 ，1 8 5 r e 1 8 7 r e - - 0 5 9 7 ( g r a m l i c he ta l ，1 9 7 3 ) 。1 8 7 r e 是天然放射性同位素，由p 一衰变产生1 8 7 0 s ： 1 8 7 r e - 1 8 7 0 s - j i - i b 一，半衰期t l 陀为4 2 3 g a ，衰变常数z , - - - ( 1 6 6 6 士0 0 1 7 ) x 1 0 1 1 a 一1 ) ( s h e ne ta 1 ，1 9 9 6 ；s m o l i a re ta 1 ，1 9 9 6 ) 。最近s e l b y 等( 2 0 0 7 ) 对比了岩浆岩中辉钼 第一章玄武岩r e o s 同位素地球化学基础 矿的r e o s 年龄和岩浆岩中锆石的u p b 年龄，提出1 8 7 r e 的衰变常数分别为九 = ( 1 6 6 6 8 士0 0 0 3 4 ) 1 0 1 1 a 一1 ( 采用j a f f e ye ta 1 ，( 1 9 7 1 ) 的2 3 5 u 衰变常数) 和九= ( 1 6 6 8 9 士0 0 0 31 ) x1 0 11 a 一1 ( 采用s c h o e n ee ta 1 ，( 2 0 0 6 ) 的2 3 5 u 衰变常数) 。 o s 有七个天然同位素，分别为1 8 4 0 s 、1 8 6 0 s 、1 8 7 0 s 、1 8 8 0 s 、1 8 9 0 s 、1 9 0 0 s 和 1 9 2 0 s ，其中1 8 7 0 s 与1 8 6 0 s 是放射成因同位素。1 8 7 0 s 由1 8 7 r e 通过p 一衰变产生。 1 8 6 0 s 由1 9 0 p t 经a 衰变产生：1 9 0 p t _ 1 8 6 0 s + a ，半衰期t l 彪为4 6 9 3 g a ，衰变常数 九= 1 4 7 7 x 1 0 1 2 a ( b e g e m a n ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 。1 8 6 0 s 也是天然放射性同位素，经0 【衰 变产生1 8 2 w ，1 8 6 0 s 一1 8 2 w 艳，衰变常数x = 3 5 x 1 0 - 1 6 a ，由于衰变常数极小， 一般可将博6 0 s 视为稳定同位素( s h i r e ya n dw a l k e r , 1 9 9 8 ) 。天然o s 同位素比值、 相对丰度和摩尔质量见表1 1 。 表1 - 1 美国马里兰大学( u m c p ) 狈t j 量的j o h n s o n - m a t t h e y o s 标准的 同位素比值、天然同位素丰度和摩尔质量 尘拯壅旦笪苤些笪型量焦q ! 旦垡苤 圭壁【塑 一垦王鐾签重量f 型堡q 1 2 1 “o s 1 8 8 0 s0 0 0 1 3 3 1 3 士1 31 8 4 0 s0 0 1 7 71 8 3 9 5 2 5 1 4 1 铂o s m o s *o 119 8 4 8 - 士81 s 6 0 s1 5 9 318 5 9 5 3 8 5 2 1 8 7 0 s 1 8 8 0 s *o 1 1 3 7 9 1 士1 51 8 7 0 s1 5 1 31 8 6 9 5 5 7 6 2 1 8 9 0 s 瑚o s1 2 1 9 6 7 + 1 41 s 8 0 s1 3 2 91 8 7 9 5 5 8 5 0 1 9 0 0 s 1 8 8 0 s1 9 8 4 5 1 士1 61 船o s1 6 2 21 8 8 9 5 8 1 5 6 1 9 2 0 s l s s o s3 0 8 2 7 1 1 0 s 2 6 3 81 8 9 9 5 8 4 5 5 竺尘兰q ：2 11 21 ：2 鱼! 塑! 注：o s 原子摩尔质量取自y i ne ta 1 ，( 2 0 0 1 ) ，其它数据取自s h i e r ya n dw a l k e r ( 1 9 9 8 ) 在自然界中比值有变化 1 1 3 地球化学性质 r e o s 同位素体系的特殊地球化学性质表现为： ( 1 ) r e o s 是耐熔元素，具有很高的凝聚温度，在太阳星云冷凝过程中优 先进入固相。r e o s 是高度亲铁亲铜元素，在地球形成和分异中，优先进入地核。 地幔中的r e 、o s 主要赋存在硫化物、氧化物、铂族元素矿物和合金中，而不是 在硅酸盐矿物相中，部分r e 可能存在于石榴石矿物中( r i g h t e r a n dh a u r i ，1 9 9 8 ) 。 ( 2 ) 在地幔部分熔融过程中，o s 是相容元素，残存在地幔中；r e 的行为 比较复杂，在熔融过程中表现为微相容到中等不相容元素( s h i r e ya n dw a l k e r ， 1 9 9 8 ) ，结果部分r e 进入熔体相中。在壳幔分异过程中造成了地壳和地幔的 r e o s 比值有很大的差异，通常前者 1 0 ，而后者 d r e ；b r a n d o na n dw a l k e r ，2 0 0 5 ) ，因此在结晶固相和残余液相 间发生分异，使得液态外核具有明显高的r e o s 比。现在外核的1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 比值 为0 1 3 7 2 ( 7 0 s = + 7 9 ) ，明显高于球粒陨石值( w a l k e re ta 1 ，1 9 9 5 ) 。同时，内核结 晶产生的潜热使外核物质发生对流，继而通过核幔边界使外核和下地幔之间发 生物质运移和化学变化。因此，外核物质可以通过毛细作用渗透到核幔边界d 层( b r a n d o na n dw a l k e r ，2 0 0 5 ) ，使其也表现出相对富r e 和贫o s ，具有高r e o s 比值，随着时间演化最终成为富1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 的地幔柱的源区( w a l k e re ta 1 ，1 9 9 5 ； w i d o m & s h i r e y ，19 9 6 ) 。同样在上述过程中，因为d o s d p t ( b r a n d o na n dw a l k e r , 2 0 0 5 ) ，液态外核也具有高的p t o s 比，最终导致核幔边界d ”层具有富1 8 6 0 s 1 8 8 0 s 的特征。因而来源于核幔边界的大的地幔柱具有耦合富集1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 和 博6 0 s 蜡8 0 s 的同位素特征( w a l k e re ta 1 ，1 9 9 5 ；b r a n d o na n dw a l k e r ，2 0 0 5 ) 。 4 第一章玄武岩r e ) s 同位紊地球化学基础 122 核一幔分异 由于r e 、0 s 等h s e 在金属铁和硅酸盐熔体之间的分配系数大于1 0 4 ( c a r l s o n ， 2 0 0 5 ) ，在地球早期地核地幔分异过程中r e 、o s 等h s e 几乎全部进入地核，按 核一幔之间h s e 平衡分配系数计算，地幔中的h s e 丰度将远远低于实际观测的结 果。因而推测现在地幔中的h s e 含量是在地球增生的晚期地核最终形成后，陨 石物质作为“后增薄层( 1 a t e v e n e e r ) ”再加入地幔的结果，后增薄层的陨石物质的 数量相当于现代地幔物质的1 f m o r g a n ，1 9 8 5 ) 。 r e - o s 同位素体系也能为“后增薄层”的陨石类型提供制约。根据全球各大 洲基性大火山岩中的1 1 7 个尖晶石相地幔橄榄岩捕虏体的o s 同位素组成与地幔 亏损程度指标( 以全岩的a 1 2 0 3 含量表征) 之间的相关性推断原始上地幔g u m ) 的 ”7 0 s 1 8 5 0 s 现代值为01 2 9 6 - j - 00 0 0 8 ( m e i s e le ta l ，1 9 9 6 ；2 0 0 1 ) 。同时，球粒陨 石r e o s 同位素研究结果( m e i s e le la l ，1 9 9 6 ) ，( 图1 1 ) 表明，碳质球粒陨石( c c ) 与普通球粒陨石( o c ) 和顽火球粒陨石( e c ) 的o s 同位素组成是不同的，c c 的平 均值为0 1 2 6 2 - - - - _ 0 0 0 0 6 ，而o c 和e c 的平均值分别为0 1 2 8 3 _ + 0 0 0 1 7 和o1 2 8 1 0 0 0 0 4 ，与原始上地幔的现代值接近，因此推测“后增薄层”的陨石物质主要 是o c 和e c 型的，而不是c c 型的( m e i s e le ta 1 1 9 9 6 ：2 0 0 1 ) 。 2 5 ：o 频 数 5 1 0 5 0 p u m _ = = = = = 一c c _ _ _ _ _ 一e c = = = = = = 一o c 1 0 1 2 00 1 2 40 】2 80 13 2 1 8 71 8 8 o s o s 图1 - 1 原始上地幔和球粒陨石的o s 同位素组成( 引自w a l k e re ta 1 2 0 0 2 ) p 嘣：厦始上地幔；c o ：碳质球粒陨石；e c ：顽火球粒陨石；o c ：普通球粒陨石 123 壳一幔分异 地幔部分熔融时，o s 作为相容元素富集在残留地幔中，r e 作为中等不相容 元素进入熔体相，最终形成地壳。因此与地幔相比，地壳中的o s 丰度很低，r e 丰度较高。关于地壳及其组成部分的r e - o s 元素丰度和o s 同位素组成已经有了 第一章玄武岩r e o s 同位素地球化学基础 许多的报道。下列是其中一些，大陆上地壳的r e 和o s 丰度分别为0 1 9 8 1 0 母 和0 0 31 10 。9 ( p e u c k e r - e h r e n b r i n ka n dj a h n , 2 0 01 ；r u d n i c ka n dg a o ，2 0 0 4 ) ，r e o s 比值为6 4 ；大陆下地壳的r e 和o s 丰度分别为o 1 8 4 x1 0 母和0 0 4 9 1 0 拶( s a a le t a 1 1 9 9 8 ) ，r e o s 比值为3 8 ；大洋下地壳的r e 和o s 平均丰度分别为0 4 8 7 x1 0 母 和0 0 0 9 1 0 毋( b l u s z t a j ne ta 1 ，2 0 0 0 ) ，r e o s 比值为5 4 1 。不同类型地壳的平均 r e 肥s 比值是球粒陨石型地幔的5 0 1 0 0 倍。 由于r e 0 s 壳幔中的r e o s 比值有很大分异，随着时间的推移，地壳中的 1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 在高r e o s 比条件下迅速增长。大陆上地壳的1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 平均值约为 1 0 5 0 2 3 一1 2 9 o 0 8 ( e s s e ra n dt u r e k i a n ，19 9 3 ：p e u c k e r - e h r e n b r i n ka n dj a h n , 2 0 0 1 ；h a t t o r ie ta 1 ，2 0 0 3 ) ；大陆下地壳的1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 平均值约为0 8 ( s a a le ta 1 ， 1 9 9 8 ) ；大洋下地壳的1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 为0 1 4 0 - 4 ) 4 6 7 ( b l u s z t a j ne ta 1 ，2 0 0 0 ) ，都远高于 原始上地幔1 8 7 0 s 1 8 8 0 s 的现代值0 1 2 9 6 - 4 - 0 0 0 0 8 ( m e i s e le ta 1 ，2 0 0 1 ) 。因而，r e o s 同位素体系成为示踪壳幔物质的有效手段( a l l e g r ea n dl u c k ，1 9 8 0 ) 。 1 3岩浆作用中r e - 0 s 同位素地球化学 岩浆过程是指岩浆的形成、运移、侵位、和固结成岩等的一系列作用。部分 熔融作用是形成岩浆的最重要途径，而引起岩浆成分发生变化主要是分离结晶作 用、混染和同化作用。在地幔部分熔融时，微量元素按照分配系数在熔体相与残 留相之间进行分配。同样在岩浆上涌、迁移和侵位发生结晶分异和同化混染作用 时，微量元素又会在两相之间进行再分配。在岩浆形成和演化过程中也会造成 o s 同位素组成的变化。要正确认识岩浆岩中的微量元素r e 、o s 丰度和o s 同位 素比值变化的原因和规律，首先需要了解r e o s 在岩浆作用中的分配情况，即了 解r e o s 在地质物相之间的分配系数。 1 3 1r e 、0 s 的分配系数 平衡分配系数是指在一定的温度和压力条件下的化学体系里，微量元素在两 相之间的分配达到平衡时的含量比，如在固相液相中的含量之比，当比值大于1 时，该微量元素为相容元素，比值小于1 时该微量元素为不相容元素。常用的 r e 和o s 的分配系数有如下两相之间的，如用于内、外地核分异的金属固相金 属液相、核幔分异的金属熔体相硅酸盐熔体相，以及壳幔分异的矿物相硅酸盐 熔体相，其中矿物相包括橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、石榴石和尖晶石等。关 于r e 和o s 的分配系数已经做了大量的实验测量，下面收集了其中一部分近年 来发表的常见的固液相体系中r e o s 分配系数的实验结果( 表1 3 ) 。 6 第一章玄武岩r e - o s 同位素地球化学基础 表l - 3 常见的固液相体系中r e - o s 的分配系数 p 和t d kd 0 s 3 3 g p a ；1 3 7 0o c 7 0 34 - 0 5 7 1 0 2 6 4 - 1 9 8 金属固相金属液相f e - s 体系 2 2 g p a ；1 7 7 5o c 5 3 9 4 - 1 5 9 6 6 5 + _ 2 7 7 金属熔体硅酸盐熔体 1 0 4 1 0 4 2 g p a , 2 5 0 0 0 c 2 x 1 0 5 硫化物 4 6 1 0 2q d 1 g p a ；1 3 5 0 0 c1 0 1 0 4 1 6 x 1 0 4 ，1 0 4 1 0 1 4 0 0 0 c ； o 0 0 1 2 橄榄石 1 5 g p a ；1 4 0 0 0 c 0 0 9 4 4 - 0 0 1 9 2 0 矿物相，硅酸盐熔体 单斜辉石1 5 g p a ：1 4 5 0 0 c 2 6 8 - 1 - 0 3 4 单斜辉石3 g p a ；14 5 0 0 c1 5 5 4 - 0 1 2 斜方辉石 3 g p a ：l4 5 0 0 c 0 7 8 0 1 0 ( 多 石榴石3 g p a ：1 4 2 5 0 c 1 7 9 0 1 2 尖晶石3 g p a ；1 4 2 5 。co 9 7 4 - 0 1 3 表中带圆括号的数字为文献编号：o m a l me ta 1 ，2 0 0 8 ；m a l l m a n na n dn e i l l ，2 0 0 7 ：该文献 的d r e 为r e “；f o n s e e ae ta 1 ，2 0 0 7 ；f o n s e c ae ta 1 ，2 0 0 3 ：s a t t a r ie ta 1 ，2 0 0 2 ；e r t e le ta 1 ， 2 0 0 1 ；b r e n a ne t a l ，2 0 0 3 ；r o y - b a r m a ne t a l ，1 9 9 8 ：h a r ta n d r a v i z z a 1 9 9 6 ：( f l e e t e t a 1 ，1 9 9 1 ；p e a c he ta 1 ，1 9 9 4 ；j o n e s ，1 9 9 5 a ) ；0 1 ) b e z m e ne ta 1 ，1 9 9 4 ；y o k o h a m ae ta 1 ，2 0 0 9 。 p t i k o s 在f e s 体系的金属固相金属液相中都是相容元素( d p t - - 3 9 7 0 4 9 ，d r e 一- 7 0 3 0 5 7 ，d 0 s = 1 0 2 6 1 9 8 ；3 3 g p a , 1 3 7 0 ) ( o r m a ne ta 1 ，2 0 0 8 ) ， 但o s 比r e 和n 更相容。因此，在地核形成和分异过程中，o s 相对于r e 和p t 更倾向于进入固体内核。该实验发现在金属固液相之间，p t 、r e 、o s 的分配系 数与压力有协变关系，随着压力的升高( 3 3 g p a0 2 2 g p a ) ，d r 。和d o s 都降低了，而 o s 比r e 降低的幅度更大，p t 的变化不大，( d r y = 4 0 6 0 9 6 ，d r 。= 5 3 9 1 9 9 ， d o s = 6 6 5 2 7 7 ；2 2 g p a , 1 7 7 5 。c ) ( o r m a ne ta 1 ，2 0 0 8 ) 。3 种元素的分配系数随着 压力增大而趋于收敛，表明内核结晶为固相时，并不能使液态外核的r e o s 和 p t o s 比增高，由此最终导致1 8 6 0 s 1 8 8 0 s 和1 8 7 0 s l s s o s 比值的耦合增高。实验测 定的分配系数对于否定外地核物质在地幔柱中的贡献提供了重要的依据( o r m a n e ta 1 ，2 0 0 8 ；l u g u e te ta 1 ，2 0 0 8 ) 。 r e o s 作为强亲铁元素( h s e ) ，在金属熔体相硅酸盐熔体相中的分配系数 相当高，能达到1 0 4 ( j o n e sa n dd r a k e ，1 9 8 6 ；e r t e le ta 1 ，2 0 0 1 ) 。在2 g p a 和2 4 0 0 时o s 在金属熔体相和硅酸盐熔体相之间的分配系数为2 1 0 5 ( y o k o y a m ae ta 1 ， 2 0 0 9 ) 。因此，r e o s 在地核中的丰度要比在地幔中要高得多。o s 作为亲硫元素， 在硫化物熔体相硅酸盐熔体相中的分配系数相当高，d o 。为1 0 2 ( b e z m e ne ta 1 ， 1 9 9 4 ) 至1 0 4 1 0 3 ( f l e e te ta 1 ，1 9 9 1 ；p e a c he ta 1 ，1 9 9 4 ，j o n e s ；1 9 9 5 a ；r o y b a r m a n e t a 1 ，1 9 9 7 ) 。r e 的分配系数比o s 的稍低，d r 。为4 6 ( r o y b a r m a ne ta 1 ，1 9 9 8 ) 至1 6 10 4 ( f o n s e c ae ta 1 ，2 0 0 7 ；s a t t a r ie ta 1 ，2 0 0 2 ) 。 r e o s 在金属相以及硫化物相中有如此高的分配系数，决定了r e o s 在地幔 中不是主要赋存在硅酸盐相中，而是富集在少量的硫化物相或金属相中。研究表 7 第一章玄武岩r e o s 同位素地球化学基础 明，o s 在地幔二辉橄榄岩硫化物中的含量为3 5 1 1 p p m ( h a n d l e ra n db e n n e t t , 1 9 9 9 ；b u r t o ne ta 1 。2 0 0 0 ；l u g u e te ta 1 ，2 0 0 4 ) ，占二辉橄榄岩中o s 总含量的8 0 9 6 ( m o r g a na n db a