同位素地球化学

同位素地球化学第1页，共33页，2023年，2月20日，星期五图16月球岩石表现出的月球不同库间非常早期Sm/Nd分馏造成的Nd演化图第2页，共33页，2023年，2月20日，星期五

该模式中缺少元古代的Nd同位素数据是其严重的弱点，因为它留下了太古代CHUR与现代MORB亏损源(=增高的Sm/Nd比值)数据之间的空缺，及两者之间关系的问题。填补此空缺的重要阶段是对科罗拉多FrontRange的元古代变质基底的研究(DePaolo,1981)。来自爱达荷Springs组的四个变火山岩和两个紫苏花岗质麻粒岩用Sm-Nd等时线法测定了年龄。另外，对以前用Rb-Sr全岩法测定过年龄的三个深成岩(BoulderCreek，SilverPlume和PikesPeak花岗岩类)也作了Nd同位素和Sm/Nd测定。所有这些样的初始143Nd/144Nd比值都投点在图17的εNd对时间图上。爱达荷Springs变火成岩集中于εNd(t)=+3.7±0.3，表明它们在1.8Ga相对于CHUR来自亏损地幔源。BoulderCreek样品也具正的εNd值(+1.7到+3.5)，而SilverPlume和PikesPeak花岗岩具不断降低的εNd值，位于爱达荷Springs地壳平均143Nd/144Nd演化线上，表明它们包含了大量1.8Ga的基底重熔成分。第3页，共33页，2023年，2月20日，星期五图17相对于亏损地幔模式的科罗拉多数据随时间的Nd演化图第4页，共33页，2023年，2月20日，星期五DePaolo对爱达荷Springs和现代岛弧数据拟合了一条二次曲线(图18)，代表了钙碱性岩浆作用源区的不断亏损的Nd同位素演化。该曲线在早太古代紧靠CHUR演化线，但向现在不断偏离，相对于CHUR，在时间T，该亏损源的成分由下式给出：使用该亏损地幔曲线计算的Sm-Nd模式年龄记为TDM。DePaolo认为TDM模式年龄比TCHUR更精确地指示“地壳形成年龄”。例如，McCulloch和Wasserburg的格林威尔杂岩异常低的0.8GaTCHUR被修改成1.3GaTDM年龄，与得克萨斯Llano抬升的年龄相一致，被解释为相同省的一个部分。由于DePaolo(1981)的元古代亏损地幔的发现，新的分析激励着亏损地幔源演化的几个重新解释。例如，DePaolo(1983)利用新发表的前寒武纪玄武岩数据计算了具有正弦曲线形式的更亏损地幔演化曲线。然而，晚太古代正弦曲线中的衰退不久第5页，共33页，2023年，2月20日，星期五图18两个最广泛使用的亏损地幔演化模式的Nd随时间演化图解第6页，共33页，2023年，2月20日，星期五由来自加拿大和南非的太古代科马提岩的分析数据充填。随后，Nelson和DePaolo(1984)根据元古代玄武岩的成分和由Claoue-Long等(1984)计算出的Kambalda在3.2Ga时非常亏损的+3εNd值，建议使用上凸的亏损地幔曲线。随后的研究表明Kambalda的年龄是错误的，但该曲线由太古代其它高εNd值的发现可得以恢复。对DePaolo(1981)模式的另一重要选择是Goldstein等在1984年提出的(图18)。该模式假定从4560MaεNd=0到0MaεNd=+10(MORB成分)地幔是线性亏损的，并对来自美国西南及格陵兰的早元古代绿岩提供了良好的拟合。在这些岩套中最亏损的εNd值可能是裂谷环境中的几乎没有地壳混染的溢流玄武岩。然而，对于计算产生于弧环境中的英云闪长质造壳岩石的地壳抽提年龄这并不是最合适的地幔模式，现今具有比扩张脊较少亏损的Nd同位素特征。当不同地理区的新数据可利用时，就存在一种亏损地幔模式增殖的趋势。然而，检查文献表明DePaolo(1981)和Goldstein等(1984)的模式一直由其他研究者最广泛应用。由第7页，共33页，2023年，2月20日，星期五对此二研究引文率对比从图19说明了这种应用，与两篇控制文章：Nelson和DePaolo(1984),上面讨论的及Allegre和Rousseau(1984)相比,提出了类似DePaolo(1981)的曲线状地幔演化线。对DePaolo(1981)引文的持久性表明了该地幔模式的广泛使用性。因此，希望TDM和TCR表示法应限于DePaolo(1981)和Goldstein等(1984)模式，而其它缩写用于表示不同的模式。§4.3模式年龄与地壳过程如上面所总结的，Sm-Nd模式年龄方法的主要应用之一就是测定所谓的“地壳形成”或“地壳抽提”年龄。然而，当长期或复杂的地质历史没有更直接测定地壳年龄方法时，Sm-Nd法最常被应用。当应用到全岩系统时，Sm-Nd模式年龄方法的力量之一就是它提供了透过侵蚀、沉积、高级变质作用甚至可能重新启动其它的测年工具地壳熔融事件的机会。然而，这些过程可能引起模式年龄解释的复杂性。因此，为了预测复杂环境中的行为，在很好限制的条件下考察Sm-Nd系统学变得很重要。第8页，共33页，2023年，2月20日，星期五图19引入Nd新的亏损地幔演化模式文章的引用率变化第9页，共33页，2023年，2月20日，星期五一、沉积作用侵蚀作用中的Sm-Nd系统行为可通过对比由河流携带颗粒计算的模式年龄与分水岭区沉积物源区平均地质年龄的对比来加以考察。Goldstein和Jacobsen(1988)完成了美洲河流中颗粒的此类研究。他们发现流过原始火成岩的河流携带精确反映源区地壳存留年龄的沉积物(图20)。流过沉积岩分水岭的河流没有适当加以证明，因为它们源区的地壳存留年龄还没有适当地定量化。沉积作用中Sm-Nd系统的行为可通过对比沉积物不同大小部分的Nd模式年龄对比加以证明。早期对来自亚马逊河底部沉积物的研究(Goldstein等，1984)发现不同大小部分给出仅非常小范围的地壳存留年龄(1.54-1.64Ga)，尽管总Nd含量上具大的范围(17-47ppm)。Awwiller和Mack(1991)对来自RioGrande和密西西比河的泥与沙级沉积物发现了类似的模式年龄吻合。然而，大河底部的沉积物在显示良好的化学均一性上可能不是典型的。第10页，共33页，2023年，2月20日，星期五图20分水岭内河流颗粒物Nd模式年龄对面积加权的平均岩石地壳存留年龄图解所示数据仅表示汇水盆地中的火成—变质岩。第11页，共33页，2023年，2月20日，星期五为了看一看深海浊积岩是否显示类似的均一化程度，McLennan等(1989)对比了来自几个不同构造环境的浊积岩中沙和泥质对的模式年龄(图21)。他们的发现是相当可变的，一些对显示出模式年龄的良好吻合，而其它的不吻合。这些变化可能反映了沉积物的岩石学上组成。具小于5%岩屑火山碎屑的成熟被动边缘沉积物与具大约90%的岩屑火山碎屑两者都显示了沙和泥质部分模式年龄的良好吻合(实心符号)。这些均一类型的沉积物因此可以给出有用的模式年龄限制。相反，具中等分数火山碎屑物质的沉积物给出不一致的模式年龄(空心符号)。后者在大陆边缘占绝大多数，可归结为古老大陆碎屑与年轻火山岩碎屑在不同颗粒大小的部分中具有不同的混合比。大陆弧因此对地质事件提供差的模式年龄限制。第12页，共33页，2023年，2月20日，星期五图21不同构造环境中深海浊积岩中泥质对砂质亏损地幔模式年龄图解第13页，共33页，2023年，2月20日，星期五二、变质作用

Stille和Clauer(1986)及Bros等(1992)已经证明了炭质(黑色)页岩中在显微镜下的粘土矿物中Sm-Nd系统学可由成岩作用重新启动。他们证明在一些情况下，次显微大小的颗粒能产生Sm-Nd等时线，他们解释为测定了成岩作用的年龄。如果粘土矿物的Rb-Sr定年由碎屑继承性可被扰动，这种年龄的精确性还有待证明。然而，矿物学尺度上的REE成岩活化并不意味着全岩尺度上Sm-Nd系统的开放。Awwiller和Mack(1991)根据来自得克萨斯钻孔样品的的Sm-Nd分析认为这种情况是可以出现的。与成岩作用中Sm-Nd开放系统的认识相反，Barovich和Patchett(1992)证明即使在严重的变质变形中花岗质岩的全岩Sm-Nd系统保持未受扰动。他们研究了切过元第14页，共33页，2023年，2月20日，星期五古代Harquahala花岗岩的60m宽的中生代韧性剪切带。发现在两个不同的剖面中冲断面1m的范围内，变形增加的花岗岩样品产生围绕1.58Ga的窄范围TCHUR模式年龄(图22)。即使在显示斜长石广泛的绢云母化和大量绿帘石增加的样品中封闭系统行为仍然保持。仅在离主冲断面小于1m的超糜棱岩中观察到模式年龄可减少150Ma，可能是由于紧挨冲断面引起方解石脉和强烈蚀变的高流体能量造成的。苏格兰西北Lewisian麻粒岩表明即使是在麻粒岩相变质作用中全岩Sm-Nd模式年龄抗明显的重启动。英云闪长质片麻岩10点的Sm-Nd等时线得到的年龄为2.60Ga，及相对于CHUR-2.4ε[t]的初始比值。该等时线被认为测定了变质事件。然而，这些相同的片麻岩TDM模式年龄落在2.84-3.04Ga的范围内，平均为2.93Ga(图23)。这些年龄被变质作用轻微分散，但仍然给出了非常接近Drumbeg第15页，共33页，2023年，2月20日，星期五图22Harquahala花岗岩样品TCHUR模式年龄与离Harquahala冲断层距离的函数关系第16页，共33页，2023年，2月20日，星期五镁铁质杂岩的未扰动的2.91Ga的等时线年龄。Nelson和DePaolo(1985)试图通过考虑有限的地壳深熔事件壳内重熔条件下确定对模式年龄扰动的上限。从地壳熔融模式(Hanson,1978)，他们估计由壳内熔融过程可能引起的最大量Sm/Nd分馏(Δ)是先存样品Sm/Nd与球粒陨石Sm/Nd间分馏的20%。DePaolo和Wasserbugr(1976)定义该分馏因子为：用此表示法，由壳内分馏事件引入的亏损地幔模式年龄的误差由下式给出：第17页，共33页，2023年，2月20日，星期五图23钕同位演化图，表示单个英云闪长质片麻岩的Sm-Nd演化线第18页，共33页，2023年，2月20日，星期五这里TCF是真实的地壳形成年龄，Tm是部分熔融事件的年龄。这种误差放大如图24所示。此问题通过分析熔融年龄相当接近于它们形成年龄(<300Ma?)的样品可最小化。壳内熔融在模式年龄上引起相当小的扰动的证据激励着利用花岗质深成岩对相组合的围岩测定地壳形成年龄(假定花岗岩是这些围岩的深熔产物)。该途径的优点是利用最小数量的分析对大区域基底填图，因为每个深成岩体可预期是大量地壳成分的平均。Nelson和DePaolo(1985)很大影响地利用它填出了美国中部巨型带的地壳抽提年龄(图25)。因为显生宙覆盖模糊了大部分美国中部基底，仅能从钻孔岩心或钻孔岩片(chips)进行定年，对于此应用该方法是合适的。第19页，共33页，2023年，2月20日，星期五图24在壳内熔融过程中由于Sm/Nd分馏引起的模式年龄的可能误差的Nd同位素系统学示意图第20页，共33页，2023年，2月20日，星期五图25美国Nd模式年龄分区图M：Mojavia地体，P：Penokean地体第21页，共33页，2023年，2月20日，星期五

然而，该方法的弱点已揭示出来了，模式年龄结果并不对应于已知的火成岩结晶年龄代表的事件。在Bennet中2.0-2.3Ga模式年龄及DePaolo的“Penokean”与“Mojavia”地体证明了此问题。它们可能代表了与大量太古代重熔地壳与元古代幔源岩浆混合产生混合模式年龄，其模式年龄对地壳抽提年龄没有意义。§4.4地壳增长问题

究竟地壳在地质时间内一直是增长的还是大约维持恒定的体积的问题是地质学中最基本的问题之一，但要作出结论性的回答证明是困难的。因此，这里讨论Nd同位素证据三个最重要的的方面。一、地壳增生年龄

透过年轻的热事件并测定大陆岩石形成年龄的Sm-Nd方法的能力使得该方法理想地适用于作出现今地壳基底的年龄分布图。这便得到了不考虑地壳再循环进入地幔全部时间的大陆增长线。第22页，共33页，2023年，2月20日，星期五

Nelson和DePaolo(1985)对美国大陆的研究发现Nd模式年龄显著老于火成岩结晶年龄，导致中部大陆下元古界增长速率估计的大量增加。这些数据，结合近来发表的加拿大地盾的年龄，导致估计的北美克拉通平均年龄的激增。该图形得到Patchett和Arndt(1986)的进一证实，他们进一步放大了北美新增下元古界(1.9Ga)地壳基底的估计面积。这便得到了随时间的地壳形成正弦曲线，表明了出现于地球历史的中期新地壳增生的最大速率(图26，曲线4)。

二、沉积物源区年龄

作为大陆增长模式的支持者(如Moorbath,1976)、Armstrong(1981)认为各种方法说明的大陆增生记录(如前所述)并没有证明大陆面积在全部地质时间内实际增长了。Armstrong认为如果由沉积物消减的地壳再循环进入地幔等于消减带上新地壳形成，4.5Ga前的大陆面积等于现今大陆面积的模式可以得到随时间的视地壳增长。

第23页，共33页，2023年，2月20日，星期五图26累积基础上的大陆增长速率1、Hurley和Rand(1969)，2、Tugarinov和Bibikova(1976),3、Nelson和DePaolo(1985),4、Patchett和Arndt第24页，共33页，2023年，2月20日，星期五老的地壳体可被造山作用缩短，而后由侵蚀和沉积消减作用夷平。然而，一些沉积物可逃避此再循环过程并提供老的、再循环地体的记录。因此，寻找大陆质量恒定性或增长性的证据转向沉积物记录。透过侵蚀和沉积作用而到其原始地壳抽提事件的Nd模式年龄方法的能力使得它对此研究成为理想的工具。数据通常绘于Nd模式年龄(地壳存留年龄)对沉积物地层年龄的图上(图27)。来自年轻幔源物质侵蚀的沉积物将具TCR=TSTRAT并位于一致线上(Allegre和Rousseau，1984)。相反，没有任何年轻物质加入的较老沉积物的循环将使成分沿水平矢量向右移动。几个源区的数据如图27所示，包括碎屑沉积物(Hamilton等，1983；O’Nions等，1983；Taylor等，1983；Allegre和Rousseau，1984)及现今主要河流中的颗粒物(Goldstein等，1984)。第25页，共33页，2023年，2月20日，星期五图27来自几个碎屑沉积物研究区1980s早期数据所示的模式年龄与地层年龄图解第26页，共33页，2023年，2月20日，星期五Allegre和Rousseau(1984)将这些数据与具全部时间不同大陆增长速率的大陆增长的各种理论模式作了比较(图27)。“大冲击”模式(A)，也就是全部大陆是在大约4Ga或以前提抽出的，被排除掉。Allegre和Rousseau认为从3.8Ga到现在具均一增长的模式(B)更好地拟合数据，但最佳拟合为曲线(C)，代表着随时间地壳增长的降低。三、太古代亏损地幔80年代中，几个研究揭示了早和中太古代岩石的初始Nd同位素数据，它们位于球粒陨石演化线以上，一些情况下位于Goldstein等的亏损地幔演化线以上。Smith和Ludden(1989)认为计算得到的早期镁铁质岩石强的正ε值由于给定的不正确的年龄，因此是错误的。早期Kambalda例子已提及，毫无疑问第27页，共33页，2023年，2月20日，星期五一些数据存在问题。然而，他们得出在早太古代存在足够亏损的地幔成分，此现象是真实的。§4.4海水中的Nd

海水中的Nd丰度大约为岩石中的百万分之几，大约为万亿分之三(Goldbergetal.,1963;Pieprasetal.,1979).相反，象钠这样的离子在岩石和海水中具类似的丰度。这便导致Goldbergetal.提出Nd在海水中具非常短的滞留时间，可能小于300年，并小于海洋中海水的周转速率。这可归结为由特殊物质从海水中将稀土有效地清除。海水中非常低的Nd浓度带来了一些分析问题。相反，锰结核(被认为是直接从海水中沉淀出的)具有高达几百ppm的Nd含量。结果早期O’Nionetal.(1978)和Piepgrasetal.(1979)的研究主要集中于这类物质。不同海洋盆地中不同的锰结核间发现具明显不同的同位素变化(图28)并被Piepgrasetal.归结为海水同位素成分的真实变化。第28页，共33页，2023年，2月20日，星期五图28不同海盆海水（a)、锰结核（b)及主要地壳库（c)Nd同位素分析直方图第2