高精度鋇同位素分析方法及上地殼和大洋玄武巖的鋇同位素研究.pdf

1、近十幾年來，隨著高靈敏度多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)的廣泛應用，穩(wěn)定同位素分析方法取得重大突破，非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學的地質(zhì)應用也因此得到快速發(fā)展。鋇是堿土金屬元素，在地幔部分熔融過程中高度不相容，因此地殼中的鋇含量遠遠高于地幔。Ba還是流體活動性元素，在板塊俯沖過程中，地殼物質(zhì)中大量的Ba會隨著流體釋放加入到地幔楔中。因此，Ba元素可以用來示蹤與俯沖有關的流體活動。此外，利用海洋沉積物中Ba的積累速率還可以制約古

2、海洋輸出生產(chǎn)力。
　　實驗研究和自然觀測已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界高溫和低溫過程中都可以發(fā)生Ba同位素分餾，預示著Ba同位素作為新的工具示蹤地球化學過程的重要前景。開展Ba同位素地球化學應用的基礎是建立高精度的同位素分析方法和確定地球重要儲庫的Ba同位素組成。但是，已有研究在以下兩方面存在不足:(1)缺乏統(tǒng)一的“δ-0”Ba同位素國際標樣以及對多種標準物質(zhì)Ba同位素組成的大量重復測量，這不利于各個實驗室之間進行數(shù)據(jù)的對比和對數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價;(

3、2)缺乏最基礎的對地球重要儲庫的Ba同位素組成特征的制約。本論文中，我們先對Ba元素的基本地球化學特征和Ba同位素地球化學性質(zhì)進行介紹，并總結(jié)了Ba同位素地球化學的研究現(xiàn)狀。之后，針對上述問題，詳細說明了我們建立的高精度Ba同位素分析方法，以此為基礎，我們對大陸上地殼和大洋玄武巖的Ba同位素組成進行了系統(tǒng)的研究。
　　考慮到自然界樣品特別是地質(zhì)樣品的復雜性，我們在前人基礎上對化學流程進行改進，采用2mL的AG50W-X12樹脂以期

4、望獲得更純的鋇溶液，并檢測了不同巖性和不同上樣量對淋濾曲線的影響。采用MC-ICP-MS進行Ba同位素測試，并通過“樣品-標樣間插法”校正儀器測量過程中的質(zhì)量相關分餾。我們做了各種條件實驗來檢測可能影響B(tài)a同位素測量精確度和準確度的各種因素，包括MC-ICP-MS測量過程中樣品和間插標樣之間的酸度不匹配和濃度不匹配，以及基質(zhì)效應等。Ba同位素的結(jié)果相對于純Ba標準物質(zhì)SRM3104a報道，表示為δ137/134Ba(‰)=[137/13

5、4Basample/137/134BaSRM3104a-1]×1000。添加了基質(zhì)元素的SRM3104a的長期測量結(jié)果為0.005±0.047‰ (2SD，n=36)，與推薦值在誤差范圍內(nèi)完全一致。利用建立的Ba同位素分析方法，我們對碳酸鋇標樣IAEA-CO-9、8個國際巖石標準物質(zhì)和兩個晚中生代玄武巖樣品進行了Ba同位素重復測量。其δ137/134Ba值分別為:IAEA-CO-9，0.017±0.049‰ (2SD，n=13); BC

6、R-2，0.050±0.039‰(2SD, n=13); BHVO-2,0.047±0.028‰ (2SD,n=22); JB-2,0.085±0.035‰(2SD, n=19); W-2, 0.035±0.022‰ (2SD,n=11); AGV-1, 0.047±0.040‰(2SD, n=11); JA-2, 0.038±0.048‰ (2SD, n=17); RGM-1, 0.142±0.030‰ (2SD,n=1 5); GS

7、P-2，0.013±0.046‰ (2SD，n=15)。兩個玄武巖樣品（MZ815和MZ834）的δ137/134Ba分別為-0.132±0.020‰和0.001±0.034‰。這些火成巖樣品Ba同位素的變化達到了0.274‰，遠大于本實驗室δ137/134Ba測定結(jié)果的長期外部精度(0.05‰，2SD)，表明Ba同位素具有示蹤高溫地質(zhì)過程的應用前景。本工作確定的多種火成巖標樣的Ba同位素推薦值對未來各個實驗室之間進行數(shù)據(jù)對比具有重要參

8、考意義。
　　利用建立的高精度Ba同位素分析方法，我們對71個花崗巖、黃土、河流沉積物和冰磧巖樣品進行Ba同位素測量，來研究大陸上地殼的平均Ba同位素組成特征。結(jié)果顯示，佛岡復式巖體I型花崗巖的δ137/134Ba變化范圍為-0.16‰～0.01‰，其變化可能由巖漿演化后期富Ba礦物的分離導致;大容山-十萬大山S型花崗巖δ137/134Ba的變化范圍為0.03‰～0.11‰，可能反映了源區(qū)混合過程;南昆山A型花崗巖δ137/134

9、Ba變化范圍為-0.47‰ ～-0.33‰，可能反映了巖漿演化后期富Ba礦物的分離或者源區(qū)同化了富集輕Ba同位素組成的地殼物質(zhì)。黃土具有相對均一的Ba同位素組成，δ137/134Ba質(zhì)量加權(quán)平均值為0.00±0.03‰(2SD，n=18)，可以用來制約大陸上地殼的平均Ba同位素組成。河流沉積物δ137/134Ba的加權(quán)平均值為-0.01±0.06‰ (2SD，n=3)，與基于黃土和花崗巖計算所得的UCC平均Ba同位素組成一致。冰磧巖具有

10、較大的Ba同位素組成變化范圍(δ137/134Ba為-0.19‰～0.35‰)，低Ba含量和高CIA樣品具有高度變化的δ137/134Ba表明化學風化過程會導致Ba同位素分餾。整體上，大陸上地殼具有高度不均一的Ba同位素組成，本工作首次給出了大陸上地殼的平均δ137/134Ba=0.00±0.03‰ (2SD/√n，n=71)。該平均值明顯輕于海水組成(δ137/134Ba=0.2～1.0‰)，為示蹤地表圈層中Ba循環(huán)提供了重要參數(shù)。<

11、br>　　為了制約地幔的Ba同位素組成，本工作對地幔部分熔融的產(chǎn)物——大洋玄武巖開展了系統(tǒng)的Ba同位素研究。測定結(jié)果顯示，26個來自不同大洋洋脊的MORB的δ137/134Ba變化范圍為-0.05‰～0.08‰。根據(jù)La/Sm的變化，進一步劃分為N-MORB（19個）和E-MORB（7個），其Ba同位素組成變化范圍分別為-0.03‰ ～ 0.08‰和-0.05‰ ～ 0.08‰。5個勞盆地BABB的δ137/134Ba的變化范圍為0.0

12、1‰ ～ 0.06‰。60個夏威夷OIB的δ137/134Ba組成變化范圍更大，為-0.08‰～0.15‰。由于Ba在地幔熔融過程中極度不相容，在熔融比例1％時，即有超過99.9％的Ba進入熔體中，因此部分熔融過程中不會產(chǎn)生Ba同位素分餾。同時，這些大洋玄武巖的δ137/134Ba與巖漿演化的指標，例如MgO含量、CaO/Al2O3等并無任何相關性，表明分離結(jié)晶過程也不導致Ba同位素分餾。因此，本工作中大洋玄武巖的Ba同位素組成反映了其