Re-Os同位素在蛇绿岩研究中的应用

1、Re-Os同位素在蛇绿岩研究中的应用引言：同一元素原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子，称为同位素。自然界中的同位素可以分为放射性同位素和稳定同位素两类。放射性同位素能够自发地衰变形成其它同位素，最终转变为稳定的放射成因的同位素。稳定同位素，他们不会自发地衰变形成其它同位素或由于衰变期长其同位素丰度变化可忽略不计。天然放射性同位素的丰度的变异记载着地质作用的时间，同时他们又是地质过程的有效的示踪剂，对于稳定同位素丰度的变异或分馏不但可以示踪地质过程，还可指示地质过程中的物理化学条件的变化等。同位素在研究地球或宇宙体的成因与演化。主要包括地质始终、地质热源、壳幔相互作用以及壳幔演化、程艳成矿

2、作用、构造作用及古气候和古环境记录等方面提供了重要有价值的信息，为地球科学从定性到定量的发展做出了巨大的贡献。其中放射性同位素主要用于测定地质对象的年龄与演化历史；示踪确定地壳、地幔和其他星体的成因与演化。稳定同位素的分布及其在各种条件下的运动规律，可以用来解释岩石和矿石的形成过程、物质来源及成因等问题。常见的同位素体系包括有Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb以及Lu-Hf等。“蛇绿岩”一词最早由法国矿物学家Alexandre Brongniart 于 1813 年在关于混杂岩里蛇纹岩的研究中所使用；随后他对早前蛇绿岩的定义进行了修改，重新定义为出现在Apennines地区的一套火成岩类岩

3、石（超镁铁岩、辉长岩、辉绿岩和火山岩）(Brongniart, 1821)。20世纪60 年代，随着板块构造理论的逐步建立， 在获得了大量海底地球物理资料和对陆上几个典型蛇绿岩（塞浦路斯Troodos 蛇绿岩和阿曼 Semail 蛇绿岩 ）研究的基础上， 人们逐渐认识到蛇绿岩在再造大陆中的重要性，并于 1972 年在美国召开彭罗斯会议，就蛇绿岩方方面面的问题进行了热烈的讨论。1972年Penrose会议建立的蛇绿岩概念，会议定义了典型的蛇绿岩剖面,自上而下分别为含放射虫硅质岩、枕状熔岩、席状岩墙、均质辉长岩、堆晶杂岩和变质橄榄岩。之后相当长一段时间内,很多人都据此并结合现代大洋岩石圈特征来判定

4、蛇绿岩。重新确认了 Steinmann 蛇绿岩定义中的主体， 并认为蛇绿岩是古大洋地壳和上地幔的残片，形成于大洋中脊，大洋地壳具有成层性， 它们与蛇绿岩的不同组成部分之间是一一对应的。20世纪的70 80年代之间的多次蛇绿岩和大洋岩石圈的国际研讨会认为多数蛇绿岩并不能直接代表大洋岩石圈，而代表板块消减带（SSZ）上的岛弧和弧后盆地，大陆边缘盆地等小洋盆的物质。蛇绿岩在研究重大基础地质问题时起着重要的作用，但是关于蛇绿岩的识别、各岩性单元之间精细的地球化学关系和定年等方面的研究均存在不足。1.蛇绿岩的定年问题 蛇绿岩层序中的熔岩和堆晶岩中由于具有锆石，因此U-Th-Pb法能够很好的解决蛇绿岩层序

5、中上部岩性单元的世代问题，但是蛇绿岩的地幔橄榄岩为对流上地幔部分熔融抽取熔体的残留相，非岩浆成因，由于Sm-Nd、Rb-sr、Lu-Hf和U-Th-Pb等由亲石元素构成的同位素体系，在原始上地幔发生部分熔融时优先进人熔体相，因而残留相中的含量很低;地幔温度高于上述同位素体系的封闭温度，难以精确测定地幔橄榄岩的年龄，给蛇绿岩中地幔橄榄岩的深人研究带来了困难，因而大离子亲石元素的同位素体系，如：Sm-Nd、Rb-Sr、U-Th-Pb以及Lu-Hf等难以确定地幔橄榄岩的形成时代(支霞臣, 1999)。20世纪90年代发展成熟的Re-Os同位素体系以及本世纪初原位Re-Os。同位素测试技术的发展，促进

6、了蛇绿岩研究向精深方向发展，由于Os为强相容元素，在原始上地幔发生部分熔融时富集在残余地幔橄榄岩中，而Re为中等不相容元素，在熔融过程中部分进人熔体相。这种独特的地球化学性质，为提高蛇绿岩，特别是其中的地幔橄榄岩和豆英状铬铁矿的研究程度提供了独特的手段。2. Re-Os同位素2.1 Re-Os同位素的特征Re和Os元素分别位于元素周期表中第六周期的第七族和第八族.根据Goldschmidt元素地球化学性质分类,两者都是亲铁元素(Goldschmidt, 1954)。Re、Os是强亲铁元素族(HSE)的成员，该族元素包括Ru、Rh、Pd、Re、05、Ir、Pt和Au，最新资料表明: C1球粒陨石

7、的Re和Os丰度分别为39.5ppb和506ppb(Palme et al., 2003)，地核中的分别为230ppb和2800ppb(Rudnick et al., 2003)，原始地幔（PM）为0.32ppb和3.4ppb(Palme et al., 2003)，地壳为0.19ppb和0.041ppb(Rudnick et al., 2003)。在地球增生和早期分异过程中，Re和Os优先进人地核，地幔中Re和Os含量是地核最终形成后陨石物质作为“后增薄层”(later veneer)加人到地球的结果(Chou, 1978; Morgan, 1986)。地幔中Re和Os主要赋存在铂族元素矿物

8、(PGM)、合金及其它硫化物中(Birck et al., 1994; Shirey et al., 1998)，部分Re可能赋存在硅酸盐矿物中(Righter et al., 1998)。Birck和Allegre报道了太阳系中球粒陨石和各种分异物质中Os的元素丰度和Re/Os比值，其中地外物质，包括球粒陨石及其分异的铁陨石、玄武质无球粒陨石和月岩中Os的丰度变化范围很大(10-1210-4)，但是它们的Re/Os比值几乎稳定在10-1。而地球物质和火星陨石(SNC)中Os的丰度较低为10-1210-9，变化范围小于地外物质，但是它们的Re/Os比值变化很大，高达4个数量级(10-2102)

9、，并且它们的Re-Os丰度呈现明显的负相关性,与地外物质有显著差异。由于Os为强相容元素，在原始上地幔发生部分熔融时富集在残余地幔橄榄岩中，而Re为中等不相容元素，在熔融过程中部分进人熔体相，在海岛玄武岩、洋中脊玄武岩和科马提岩中Re的丰度大于Os，而在幔源的橄榄岩包体以及蛇绿岩中地幔橄榄岩端元的Os的丰度大于Re(Birck et al., 1994)。187Re经过一次衰变形成187Os，因而随着时间的积累，地壳和地幔中的187Os/188Os，组成有很大差异，而地幔橄榄岩Os同位素组成受后期变质作用和蛇纹石化的影响较小(Handler et al., 1997)，所以Re-Os体系是研究

10、壳慢物质运移的极好示踪剂(Allgre et al., 1980)。3 Re-Os同位素在蛇绿岩研究中的应用3.1 Re-Os用以区分蛇绿岩中的残留相和熔体相在蛇绿岩形成过程中，Os赋存于残留相地幔橄榄岩中，Re富集在蛇绿岩的堆晶岩和熔岩等熔体相中、因而在蛇绿岩的残留相(地幔橄榄岩:方辉橄榄岩、二辉橄榄岩和纯橄岩)和熔体相(堆晶岩、熔岩、岩墙等)之间发生显著的Re和Os分异，随着时间的推移，造成两相中的Os。同位素组成(187Os和188Os)有很大差异，残留相地幔橄榄岩中Os含量高、Re含量低，187Os/188Os，比值与现代对流地幔相比较，呈现亏损特征，而熔体相堆晶岩、熔岩和岩墙中的05

11、含量低、Re含量高，187Os/188Os比值显示富集特征，成为区别残留相和熔体相极好的示踪剂，例如极为有效地区别高熔残留相纯橄岩和岩浆堆晶成因纯橄岩。由于对流上地幔的187Os/188Os比值是球粒陨石型的(Walker et al., 2002)，尤其古老的地幔残留相中Os同位素比值的初始值可以确定部分熔融作用的时间，用于蛇绿岩地幔橄榄岩(残留相)的定年。由于熔体相中的187Os/188Os比值不同，随着时间的推移有不同的187Os/188Os比值，在条件适合时，可以用等时线法确定熔体相的结晶年龄。3.2 Re-Os同位素用以区分MOR型蛇绿岩和SSZ型蛇绿岩Pearce等（1984）年将

12、蛇绿岩分为大洋中脊型（MOR）和俯冲带之上类型（SSZ）。其中大洋中脊型（MOR）的蛇绿岩形成与大洋中脊的环境，而俯冲带之上类型（SSZ）的蛇绿岩则形成于俯冲带之上的环境(Pearce et al., 1984)。Re-Os同位素在厘定MOR型和552型蛇绿岩地幔橄榄岩时有重要的作用。例如：意大利Ligurian蛇绿岩地幔橄榄岩的研究表明，内、外两个带蛇绿岩地幔橄榄岩的187Os/188Os组成明显不同，内带地幔橄榄岩的187Os/188Os组成为0.1219-0.1254，平均0.1236，比现代大洋岩石圈略低，而现代大洋岩石圈是MOR型蛇绿岩可以直接对比的对象，其187Os/188Os同位

13、素组成为0.1221-0.1270，平均0.1246(Snow et al., 1995)；外带地幔橄榄岩的187Os/188Os组成为0.1250-0.1283(只有一个为0.1233)，平均0.1261，高于现代大洋岩石圈，表明内带为MOR型蛇绿岩，外带为SSZ型蛇绿岩(Snow et al., 2000)。Re-Os同位素的研究，不仅证明了意大利Ligurian蛇绿岩的下部超镁铁质岩是残留相地幔橄榄岩，而且区分了内、外带分别为MOR型和SSZ型蛇绿岩。3.3 Re-Os用以识别蛇绿岩中的多次熔融事件 自研究蛇绿岩以来，一个困惑地质学家的问题是:代表不同熔融程度的高Cr书和低Cr#尖晶石相

14、的橄榄岩、高Mg#和低Mg#指数的橄榄石、斜方辉石和单斜辉石等、有时高F。的方辉橄榄岩和低Fo的纯橄岩以及不同REE配分模式(LREE亏损、富集等)的橄榄岩出露在同一个岩体中，例如玉石沟、罗布莎和萨尔托海等超镁铁质岩体。以前的研究认为，这并非单一熔融事件的产物，推测是多阶段的部分熔融产物(Dick et al., 1984)。也有认为这是地幔交代作用的产物(Navon et al., 1987)，但是Meleher等(2002)研究表明这种地幔交代作用缺乏可信证据(Melcher et al., 2002)。最近，俄罗斯Chelyuskin蛇绿岩铬铁矿中PGM的Os同位素研究表明，其187Os

15、/188Os组成分为两类，一是高于球粒陨石现代值，187Os/188Os介于0.1305-0.13212，二是低于球粒陨石现代值，第二类又分为三组:0.1214-0.1221，平均0.1218，Tch=0.96lGa；0.1225-0.1231，平均0.1230，Tch=0.794Ga；0.1237-0.1241，平均0.1239，Tch=0.667Ga，第一类高于球粒陨石现代值的PGM可能与俯冲作用有关(Luck et al., 1991)。另外，由于PCM中Re/Os比极低，所以，球粒陨石型的模式年龄(Tch)代表PGM的形成年龄，第二类低于球粒陨石现代值PGM的形成年龄识别出Chelyu

16、skin蛇绿岩中铬铁矿的形成至少经历了三次部分熔融，分别发生在0.961Ga、0.794Ga和0.667Ga。俄罗斯Chelyuskin蛇绿岩铬铁矿中PGM的Re-Os同位素研究成果证实了这种复杂的超镁铁岩体是多阶段部分熔融的产物，同时给蛇绿岩铬铁矿的成因提供了新的研究思路。3.4 Re-Os揭示了地幔橄榄岩中含有古大陆岩石圈地幔的信息 蛇绿岩被认为是古大洋岩石圈的残余，但是芬兰东北部的1.95Ga的Jormua蛇绿岩Re-Os同位素研究表明地幔橄榄岩中少量氧化物的，Os初始值为- 5.1士0.8，推算至少在2.9Ga时发生大量Re丢失，指示在2.gGa之前发生过熔融事件，而在该地区Balti

17、c地盾中存在最老岩石的年龄是3.1Ga，揭示了这种低Os初始值的氧化物是Baltic地盾岩石圈地幔的残留，并被蛇绿岩堆晶单斜辉石岩中捕获的太古代岩石圈地幔锆石(2.7-3.1Ga)所证实。在此基础上提出了形成于洋一陆转换阶段的“过渡型”蛇绿岩(Transition ophiolite)的概念。可见，没有Re-Os同位素的示踪研究，这种“隐藏”在大洋地幔橄榄岩中的大陆岩石圈地幔“痕迹”是很难被发现的。Re-Os同位素体系不仅揭示了蛇绿岩地慢橄榄岩中残留的古大陆岩石圈地慢信息，而且在AP和洋岛玄武岩(OIB)中地慢橄榄岩包体也发现了类似现象。可见，Re-Os同位素体系运用于蛇绿岩的研究，不仅揭示了

18、用亲石元素的同位素体系所不能示踪的地球化学信息，为蛇绿岩的深人研究提供了有力的手段，而且通过蛇绿岩地慢橄榄岩的Re-O，同位素研究，探测到了威尔逊旋回初期洋-陆转换阶段更丰富的地质信息。4.结论 虽然Re-Os同位素体系在蛇绿岩的研究中取得了不少进展，尤其对蛇绿岩超镁铁质岩石单元性质的示踪和确定形成时间最为有效，但是Re-Os。同位素地球化学自上世纪90年代才渐趋成熟，运用于蛇绿岩研究的时间还不长，因而很多问题尚待深入研究。如Re-Os同位素体系对于测定古老的蛇绿岩年龄较为准确、可靠，但是用Re-Os同位素体系测定显生宙蛇绿岩的地慢橄榄岩的形成年龄有待深人研究等问题。参考文献Allgre, C

19、. J. and J. Luck (1980). Osmium isotopes as petrogenetic and geological tracers. Earth and Planetary Science Letters 48 (1): 148-154.Birck, J. L. and C. J. Allgre (1994). Contrasting Re/Os magmatic fractionation in planetary basalts. Earth and planetary science letters 124 (1): 139-148.Brongniart, A

20、. (1821). Sur le gisement, ou position relative des ophiolites, euphotides, jaspes, etc., dans quelques parties des Apennins, De lImprimerie de Madame Huzard (ne Vallat la Chapelle), rue de lperon-Saint-Andr-des Arts, no. 7.Chou, C. (1978). Fractionation of siderophile elements in the Earths upper m

21、antle. Lunar and Planetary Science Conference Proceedings.Dick, H. J. B. and T. Bullen (1984). Chromian spinel as a petrogenetic indicator in abyssal and alpine-type peridotites and spatially associated lavas. Contributions to Mineralogy and Petrology 86 (1): 54-76.Goldschmidt, V. M. (1954). Geochem

22、istry. Soil Science 78 (2): 156.Handler, M. R. and V. C. Bennett, et al. (1997). The persistence of off-cratonic lithospheric mantle: Os isotopic systematics of variably metasomatised southeast Australian xenoliths. Earth and Planetary Science Letters 151 (1): 61-75.Luck, J. and C. J. Allegre (1991)

23、. Osmium isotopes in ophiolites. Earth and Planetary Science Letters 107 (2): 406-415.Melcher, F. and T. Meisel, et al. (2002). Petrogenesis and geotectonic setting of ultramafic rocks in the Eastern Alps: constraints from geochemistry. Lithos 65 (1): 69-112.Morgan, J. W. (1986). Ultramafic xenolith

24、s: clues to Earths late accretionary history. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (19782012) 91 (B12): 12375-12387.Navon, O. and E. Stolper (1987). Geochemical consequences of melt percolation: the upper mantle as a chromatographic column. The Journal of Geology: 285-307.Palme, H. and H. S.

25、 C. ONeill (2003). Cosmochemical estimates of mantle composition. Treatise on geochemistry 2: 1-38.Pearce, J. A. and S. J. Lippard, et al. (1984). Characteristics and tectonic significance of supra-subduction zone ophiolites. Geological Society, London, Special Publications 16 (1): 77-94.Righter, K. and E. H. Hauri (1998). Compatibility of rhenium in garnet during mantle melting and magma genesis. Science 280 (5370): 1737-1741.Rudnick, R. L. and S. Gao (2003). Com