南京大學(xué)同位素地質(zhì)學(xué)-12sr同位素演化-sr同位素地球化學(xué)

1、12 Sr同位素演化/Sr同位素地球化學(xué),隕石和整體地球的Sr(Nd-Os)同位素組成和演化整體地球的同位素演化，是示蹤地球上各種地質(zhì)過程的基準(zhǔn)。而要理解整體地球的同位素演化，必須首先知道整體地球的初始同位素組成。但是，由于地球的質(zhì)量大、散熱慢，而發(fā)生長期的熱重力化學(xué)分異作用，因此在地球上很難取到反映整體地球的樣品。,12.1 隕石和整體地球Sr同位素組成和演化一些同屬太陽系與地球同源的小星體，質(zhì)量小、散熱快，只經(jīng)歷了相對(duì)短期（n

2、?101~102 Ma）化學(xué)分異(可能發(fā)生熔融作用并伴隨金屬Fe-Ni和硅酸鹽熔體的分離)，很快冷卻形成成分不同的固體，因而保持了太陽系較早期分異時(shí)的同位素成分。小星體之間碰撞產(chǎn)生的碎片，落到地球上就成為隕石，如果沒有受到地質(zhì)作用的改造，則其同位素成分可以代表整體地球的組成。,大部分隕石來自火星和木星之間繞太陽而行的小游星，小游星（asteroid）是較大母體的碎塊，而較大母體來源于小行星，小行星（planetoid）是在通過太陽系中

3、太陽星云凝結(jié)和俘獲星子而形成太陽和行星過程中形成的。此外，一小部分石隕石來自月亮和火星被小游星撞擊而濺出的碎塊。,隕石由與地球上基性巖礦物類似的硅酸鹽和氧化物礦物組成，此外含有分散狀的金屬鐵和鎳顆?；虺疏F和鎳存在。因此隕石被劃分為石隕石、石鐵隕石、鐵隕石。所收集到的隕石中：石隕石占 95％鐵隕石 4％石鐵隕石 1％,石隕石又分為：球粒隕石(chondrite)：球粒隕石含有直徑1mm左右的小球（chondrule)。

4、許多球粒隕石是復(fù)礦碎屑角礫巖，顯示不同范圍的熱和沖擊變質(zhì)效應(yīng)；無球粒隕石(achondrite)：玄武質(zhì)無球粒隕石與地球上基性、超基性巖成分和結(jié)構(gòu)相似,Summary classification of meteorites,參考資料,頑輝隕石,鈣長輝長巖,中鐵隕石和石鐵隕石,12.1.1石隕石和鐵隕石大部分石隕石的Rb-Sr等時(shí)線年齡為4.55Ga，誤差較小隕石名稱Rb-Sr等時(shí)線年齡Krähenberg球粒

5、隕石4.600±0.014Ga[1]Ca-rich無球粒隕石4.30±0.26Ga[2]7個(gè)鐵隕石的硅酸鹽包體4.55±0.077Ga[3]Colomera鐵隕石硅酸鹽包體礦物4.51±0.04Ga[4]LL型球粒隕石4.493±0.018Ga[5][1] Kempe & Müller,1969[2] Papanastassiou &

6、amp; Wasserburg,1969[3] Burnett & Wasserburg, 1967[4] Sanz et al., 1970[5] Minster & Allègre, 1981,其它同位素定年方法（Sm-Nd，U-Pb等）一再證實(shí)石隕石和鐵隕石中的硅酸鹽礦物在4.55Ga前結(jié)晶，且結(jié)晶持續(xù)的時(shí)間只有幾十個(gè)Ma。雖然大部分石隕石經(jīng)歷了由小游星之間碰撞引起的短期沖擊變質(zhì)作用，但大部分石隕

7、石樣品的Rb-Sr同位素體系沒有受到可探測(cè)的影響，因此大部分隕石在它們撞擊地球之前，在太空中生存的4.55Ga期間沒有受到擾動(dòng)！,如圖：LL型球粒隕石全巖Rb-Sr等時(shí)線年齡,上圖LL型球粒隕石全巖Rb-Sr等時(shí)線，表明這些隕石具有相同的年齡和初始87Sr/86Sr比值（0.69893±8），說明太陽系形成初期具有均勻的Sr同位素組成。因此4.55Ga前成為地球的那一部分的Sr，極可能也具有小游星和隕石的Sr同位素成分,小結(jié)

8、：石隕石是在4.5Ga前形成的，石隕石的Rb-Sr等時(shí)線說明其來源有非常相似的87Sr/86Sr比值，是在短期內(nèi)快速結(jié)晶形成。但也有一些石隕石具有很不同的 87Sr/86Sr比值，揭示發(fā)生太陽系初期的一些事件的信息。,太陽系光球(photosphere)的Rb/Sr比值被認(rèn)為約為0.65。如果太陽系星云相似于該值，那么87Sr/86Sr比值的增長速率為2.6?10-5/Ma。因此，來自太陽系的不含Rb的物相的87Sr/86Sr值

9、取決于其形成時(shí)間。,確定太陽系的原始87Sr/86Sr比值是比較困難的而要獲得隕石形成時(shí)太陽系星云的值是可能的，玄武質(zhì)無球粒隕石可能是最好的選擇，因?yàn)樗枪杷猁}熔體結(jié)晶形成并具有很低的Rb/Sr比值（?0.002） 結(jié)晶以來其87Sr/86Sr增長微乎其微。,Papanastassiou & Wasserburg (1969)從7個(gè)玄武質(zhì)無球粒隕石獲得初始87Sr/86Sr為0.698990?47，并將其稱作玄武質(zhì)無球粒隕石最

10、佳初始值(BABI=basltic achondrite best initial) Allegre et al. (1975)從無球粒隕石Juvinas獲得初始87Sr/86Sr 為 0.698976?55BABI后來被修正為0.69908（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)NBS 987＝0.71025).,BABI可能代表了一組隕石母體的Sr同位素組成，但玄武質(zhì)無球粒隕石并不是太陽系最早形成的物體。有些隕石如斜輝石無球粒隕石Angra dos Re

11、is具有更低的87Sr/86Sr，其母體從太陽系星云中分離出來的時(shí)間先于其它行星體。,根據(jù)行星起源理論，BABI也代表了4.55Ga地球形成時(shí)進(jìn)入地球的Sr的同位素組成，因此，地球中由于87Rb衰變而引起的Sr同位素成分演化是從BABI值87Sr/86Sr=0.69908（相對(duì)于NBS987＝071025）開始的！,,12.1.2 火星隕石一小組無球粒隕石具有較年輕的Rb-Sr等時(shí)線年齡和較大的87Sr/86Sr值（表）。如Nakh

12、la隕石的Rb-Sr和Sm-Nd年齡為1.3Ga、87Sr/86Sr為0.70232。稀有氣體含量和同位素研究表明，該隕石來源于火星。,這組火星隕石包括14顆（2008年：～20顆），它們大部分與Shergotty、Nakhla、Chassigny相似，因此火星隕石也稱SNC組無球粒隕石。 Shergotty， 1865-8-25 落于印度Nakhla, 1911-6-29 落于埃及Chassigny 1815-

13、10-3 落于法國其它至少6顆發(fā)現(xiàn)于南極冰蓋,由于火星的體積較大，冷卻較慢， 故分異作用持續(xù)到1.3Ga，甚至0.16Ga（Shergotty、ZagamiALHA77005）？,Nakhla隕石及其火星巖漿源的87Sr/ 86Sr演化,火星隕石礦物Rb-Sr等時(shí)線年齡較小， 87Sr/ 86Sr大于BABI,隕石Shergottya年齡(161M)比Nakhla(1.3Ga)更小，隕石Shergotty具有嚴(yán)重的沖擊變質(zhì)，一種可

14、能是小游星撞擊火星濺出的火星巖石在此過程中發(fā)生了Sr同位素均勻化，但實(shí)驗(yàn)表明350kbars的沖擊不能使月球玄武巖Sr同位素均勻化；宇宙射線成因放射性核素研究表明該隕石只是在2.2Ma前才暴露表面，因此其年齡(161Ma)不是沖擊變質(zhì)年齡參考文獻(xiàn)：Jones (1986), Jagoutz (1991)和MaSween（1994）總結(jié)和解釋了火星巖石的年齡、礦物學(xué)和巖石成因.,還有一些隕石具有異常的同位素組成，如Allende隕石

15、中的包體富集84Sr，可能是質(zhì)量分餾或未知的核效應(yīng)造成，也可能該隕石是由太陽系星云不同部分的粒子凝集而成。,12.1.3 月球巖石Ocean Storms(Apollo12)月球樣品12002,147(富橄欖石玄武巖)的礦物Rb-Sr年齡為3.36?0.10Ga, 初始87Sr/86Sr值(0.69949?5)(Papanastassiou & Wasserburg,1970), 該年齡被解釋為玄武巖結(jié)晶年齡,,8個(gè)采自月球O

16、cean Storms的全巖玄武巖樣品定義的直線給出年齡4.34±0.15Ga，初始87Sr/86Sr＝0.6990，與BABI一致。這要求這些玄武巖的Rb/Sr與其巖漿源區(qū)幾乎相同，意味著部分熔融程度很高。,從地球、月球、隕石三類行星體測(cè)定的放射性年齡直方圖。顯示定年結(jié)果可被用于比較行星學(xué) From Allegre，2008,整體地球的現(xiàn)在值＝0.7045（DePaolo& Wasserburg, 1976）,

17、12.2 地幔-地殼Sr同位素演化 地球上很古老的花崗巖的初始87Sr/86Sr比值很低(0.700~0.702)，但高于BABI，這些巖石富Rb，在地球的早期就開始形成，并對(duì)后來Sr同位素演化中產(chǎn)生重要影響。 大陸地殼富放射成因87Sr，明顯區(qū)別于上地幔中87Sr的微小增長。,12.2.1 地幔Sr同位素及其演化從幔源玄武巖和巨大輝長巖體獲得的地幔Sr同位素組成為0.704 ?2，但地幔Sr同位素組成具有系統(tǒng)的變化，

18、可劃分為四組，其87Sr/86Sr比值為：洋底地幔： 0.70280洋島地幔： 0.70386島弧地幔： 0.70437大陸地幔： 0.70577,通過不同時(shí)代和來源的玄武巖和輝長巖的初始87Sr/86Sr比值 vs. Rb-Sr年齡作圖，研究地幔Sr同位素演化，結(jié)果表明:地幔中Rb/Sr比值變化很大，且由于Rb優(yōu)先于Sr進(jìn)入地殼，地幔Rb/Sr比值隨時(shí)間降低，故87Sr/86Sr增長的斜率也是降低的，因此地幔Sr同位素的演化

19、是非線性的——幾條演化曲線表示（下圖）,地幔Rb/Sr比值是隨時(shí)間降低的，故87Sr/86Sr增長的斜率也是降低的,基于單斜輝石分析得出的地幔Sr同位素演化曲線After Allegre, 2008,與大陸和島弧火山巖相比，洋脊和洋島火山巖不易受到古老硅鋁層的混染，洋島火山巖的平均87Sr/86Sr ＝0.70437洋底和洋脊火山巖的比值為：0.70280,E-MORB 是受到 Schilling effect 的MORB (H

20、offmann ).,87Sr/86Sr差別，意味著洋底和洋脊火山巖的地幔源區(qū)Rb/Sr比值, 低于洋島火山巖地幔源區(qū)的Rb/Sr, Rb/Sr的差別已存在了至少2Ga.,而洋島火山巖可能來源于相對(duì)原始的地幔物質(zhì)（或者受到了俯沖物質(zhì)影響），這與形成洋島火山巖的地幔熱點(diǎn)含有較高的U、Th、K相一致。,因此，在地球相當(dāng)早的歷史時(shí)期，地幔的一些部分就發(fā)生了Rb的虧損，洋脊拉斑玄武巖可能就來源于這種虧損地幔物質(zhì)；,洋底玄武巖、洋島玄武巖和洋脊玄

21、武巖在其侵出和冷卻過程中，由于受到海水或熱鹵水的蝕變作用，它們的Sr同位素會(huì)發(fā)生變化，此外，玄武巖漿與蝕變大洋地殼之間也可能存在相互作用，可導(dǎo)致87Sr/86Sr升高。,12.2.2 大陸地殼Sr同位素及其演化大陸地殼巖石的Rb/Sr比值極不均勻，因此很難用簡(jiǎn)單模式來描述大陸地殼的Sr同位素演化，從上地幔分離出來以后，Sr同位素有可能經(jīng)歷了多個(gè)Rb/Sr體系，并可能被變質(zhì)、風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積和成巖作用等所改變。,理論計(jì)算得出的Sr同

22、位素演化線,實(shí)測(cè)獲得的西格陵蘭地殼巖石Sr同位素演化圖. A, Amitsoq gneiss; B, Nuk gneiss; C, Ketelidian gneiss; D, Quorguq granites.,After Moorbath and Taylor (1981).,無論怎樣，陸殼的87Sr/86Sr比值大于地幔的比值，這是解釋火成巖和沉積巖初始比值及其物源的基礎(chǔ)。多數(shù)花崗巖的87Sr/86Sr比值較高，其形成是以先存

23、硅鋁層物質(zhì)為主要源巖。而玄武質(zhì)巖石和超基性巖石則來源于地幔。,值得注意的是，北美的一些大花崗巖基的Sr同位素初始比值只比地幔的比值高少許，可能原因：這些花崗巖可能是由經(jīng)歷了麻粒巖相變質(zhì)作用而貧Rb的下地殼熔融形成；或者是由深海沉積物、海底玄武巖和上地幔組成的巖石圈板塊向北美板塊俯沖過程中，俯沖板塊的上述巖石的混合物發(fā)生熔融形成。,控制因素：●來源●存留時(shí)間（TR）→隨洋流的遷移,海洋Sr同位素分布,12.3 海洋Sr同位素,Sr

24、的來源：~2/3來自陸源風(fēng)化剝蝕~1/3來自海底熱液來自碳酸鹽沉積物成巖作用來自地下水（量？）,Sr在海洋中的存留時(shí)間：~2 Ma >>海水循環(huán)時(shí)間：~1500 aSr同位素全球海洋均勻: 87Sr/86Sr=0.7091其演化反映全球性的物源變化,表中數(shù)據(jù)代入上式，得大陸河流來源Sr為66%±2%，火山來源Sr為33.8 %±2%,,根據(jù)質(zhì)量平衡混合方程：,,而河流中的Sr來自灰