熱擴(kuò)散的同位素效應(yīng)

1、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院2012年11月29日,地球化學(xué)－Geochemistry,第一節(jié)地球化學(xué)概論,什么是地球化學(xué)？地球化學(xué)研究什么？如何表征化學(xué)成分：豐度。代表性的儲(chǔ)庫(kù)：太陽(yáng)系，球粒隕石，地球，水圈，陸殼（上中下），各類玄武巖，硅酸鹽地球（原始地幔），地核,課程提要,什么是地球化學(xué)？,利用化學(xué)方法來(lái)研究地球的學(xué)科。包括兩方面的內(nèi)容：（1）地球的化學(xué)是什么？例如元素的含量和性質(zhì)。（2）地球的化學(xué)能做什么？

2、科學(xué)意義。,元素周期表,地球化學(xué)的研究樣品,隕石：天體化學(xué)。巖石和礦物：巖石地球化學(xué)。低溫樣品：環(huán)境地球化學(xué)。有機(jī)物：有機(jī)地球化學(xué)。實(shí)驗(yàn)樣品：實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)。,地球化學(xué)的研究方法,關(guān)鍵是理解科學(xué)問(wèn)題。測(cè)量自然樣品的化學(xué)組成。實(shí)驗(yàn)?zāi)M地球溫壓條件下的化學(xué)變化。理論計(jì)算元素和同位素的化學(xué)性質(zhì)。多學(xué)科結(jié)合來(lái)制約地球科學(xué)問(wèn)題。,http://airandspace.si.edu/webimages/highres/WEB10627

3、-2006h.jpg,定義：元素或者物質(zhì)在較大體系中所占的相對(duì)份額。為什么要研究元素的豐度？,豐度（abundance）,豐度的地球化學(xué)意義,地球化學(xué)的首要任務(wù)：太陽(yáng)系和地球的化學(xué)組成元素豐度為地球化學(xué)研究提供背景基礎(chǔ)豐度變化反映地質(zhì)過(guò)程中的物質(zhì)循環(huán)和分異簡(jiǎn)化復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題,主要元素（major element）：>1 wt%次要元素(minor element)：1－0.1 wt%微量元素(trace

4、 element)：<0.1 wt%.,巖石樣品中元素的行為由相容性控制,分配系數(shù)：最常見的定義－某元素在熱力學(xué)平衡的兩相之間含量的比值，礦物/熔體DM＝[M]礦物/[M]熔體礦物/熔體DM>1，相容元素礦物/熔體DM<1，不相容元素礦物/熔體DM是溫度、壓力、礦物成分、熔體成分、氧逸度等的復(fù)雜函數(shù),高度揮發(fā)（1240oK),天體樣品中由元素的揮發(fā)性控制,太陽(yáng)系的元素豐度,太陽(yáng)系的主要組成是H和He，最重要的

5、金屬是Fe、Ni。,太陽(yáng)成份的測(cè)量,絕大部分元素含量可以通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)的光球譜圖獲得太陽(yáng)色球、日冕、太陽(yáng)高能粒子、太陽(yáng)風(fēng)、宇宙射線有助于測(cè)量含量低或者吸收譜圖不明顯的元素碳質(zhì)球粒隕石的測(cè)量－非揮發(fā)性元素,隕石的分類,石質(zhì)隕石（94%）－stony meteorite球粒隕石（86%,chondrite）和非球粒隕石（8%,achondrite）鐵質(zhì)隕石 (iron meteorite)石鐵隕石 (stony-iron

6、meteorite),Allende chondrite－CV碳質(zhì)球粒隕石,CI型球粒隕石和太陽(yáng)光球的元素豐度對(duì)比,一些重要參考文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)庫(kù),CI球粒隕石，原始地幔，洋中脊玄武巖，洋島玄武巖：Sun and McDonough, 1989, Journal Geol. Society London全地球：McDonough and Sun 1995, Chemical Geology地核：McDonough, 2003, Tre

7、atise on Geochemistry陸殼：Rudnick and Gao, 2003, Treatise on Geochemistry島弧玄武巖： http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/,從硅酸鹽地球豐度制約地球的形成和演化,如果假設(shè)地球來(lái)自CI球粒隕石，則元素在地球各個(gè)儲(chǔ)庫(kù)中的加權(quán)平均應(yīng)該和球粒隕石一致，因此利用豐度反演地質(zhì)過(guò)程中的物質(zhì)循環(huán)和分異。,地震波速資料大規(guī)模測(cè)量出露

8、的樣品細(xì)粒沉積巖地?zé)?，中微?如何獲得陸殼平均成分,上地殼的稀土元素特征：輕稀土富集，重稀土虧損，Eu負(fù)異常。問(wèn)題：上地殼在什么溫度壓力下形成？,第二節(jié)地幔的地球化學(xué),課程提要,地幔的結(jié)構(gòu)重要的地球化學(xué)問(wèn)題用來(lái)研究地幔的樣品,地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu),http://zebu.uoregon.edu/~soper/Earth/earthstructure.html,地幔的范圍：莫霍界面到核幔邊界。巖石圈：巖石圈地幔+地殼。軟流圈

9、地幔：過(guò)渡帶以上，可以塑性流動(dòng)的地幔。巖石圈地幔：軟流圈和地殼之間剛性的地幔。過(guò)渡帶：410km－660km兩個(gè)不連續(xù)面之間的部分。下地幔：過(guò)渡帶到核幔邊界。D’’層：核幔邊界上200km厚的部分。,淺部上地幔的礦物組合,http://www3.mpch-mainz.mpg.de/~jesnow/Ozeanboden/1997/Week3/Fo-Di-Qz.html,斜長(zhǎng)石二輝橄欖巖－尖晶石二輝橄欖巖－石榴子石二輝橄欖巖,地幔的

10、主要礦物組合,Frost 2008 Elements,關(guān)鍵：理解礦物組合如何隨溫度和壓力變化。,地幔地球化學(xué)的重要問(wèn)題,地幔的形成和演化地幔的均一和不均一地幔的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)地幔熔融和幔源巖漿作用,研究方法,直接樣品：橄欖巖包體和橄欖巖地體間接樣品：幔源巖漿巖實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)和礦物學(xué)：利用實(shí)驗(yàn)室模擬地幔的溫度和壓力條件地球物理：利用地震波、地磁、地電等物理手段來(lái)制約地幔的礦物化學(xué)組成天體化學(xué)：利用地球和太陽(yáng)系物質(zhì)的成因聯(lián)系動(dòng)力

11、學(xué)模擬計(jì)算：地幔對(duì)流和地殼俯沖,橄欖巖地體,大規(guī)模的地幔樣品由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而出露地表，例如Oman橄欖巖。由于橄欖巖極易風(fēng)化，其表面經(jīng)常形成碳酸巖蓋層。地質(zhì)意義：直接研究地幔的礦物組成、熔-巖作用、地球化學(xué)和巖石學(xué)特征，可以減少大氣中的CO2。,http://www.msnbc.msn.com,橄欖巖包體,橄欖巖包體：幔源巖漿上升的過(guò)程中捕獲的橄欖巖碎片。地質(zhì)意義：地幔的礦物組成、熔-巖作用、地球化學(xué)和巖石學(xué)特征。,http://ww

12、w.msnbc.msn.com,幔源巖漿巖,洋中脊玄武巖，洋島玄武巖，島弧巖漿巖，溢流玄武巖。重點(diǎn)理解：這些玄武巖的形成環(huán)境和地質(zhì)意義。,洋底的枕狀玄武巖,洋中脊總長(zhǎng)度為65000公里。,洋中脊玄武巖-MORB,http://www.le.ac.uk/geology/art/gl209/lecture2/lecture2.html,MORB的地質(zhì)意義：上地幔的地球化學(xué)組成，地幔的溫度、壓力和動(dòng)力學(xué)，熔融過(guò)程,洋島玄武巖－OIB,htt

13、p://faculty.weber.edu/bdattilo/parks/parks_t2_review.html,洋島玄武巖：地幔的地球化學(xué)性質(zhì)，地球動(dòng)力學(xué)，地幔熔融，地殼再循環(huán),http://www.tulane.edu/~sanelson/geol212/ocean_basins.htm,島弧玄武巖-IAB,http://www.soest.hawaii.edu/expeditions/mariana/,http://www.le

14、.ac.uk/geology/art/gl209/lecture6/lecture6.html,島弧玄武巖：地幔的地球化學(xué)性質(zhì)，地球動(dòng)力學(xué)，地幔加水熔融，地殼再循環(huán)和殼幔相互作用，陸殼生長(zhǎng)，火山爆發(fā),溢流玄武巖-flood basalt,美國(guó)CENTRAL WASHINGTON的熔巖流,http://www.thegreatstory.org/scablands.html,溢流玄武巖：超大規(guī)模的玄武巖巖漿噴發(fā)的產(chǎn)物，覆蓋了大面積的陸地或

15、者海洋 。可能來(lái)自地幔熱柱。地質(zhì)意義：陸殼增生的貢獻(xiàn)，地幔熔融，俯沖物質(zhì)再循環(huán)，地幔的溫度演化，生物大滅絕，成礦等等。,科馬提巖和金伯利巖,科馬提巖：高M(jìn)g、低Si-Al-K的超基性巖漿巖，具有刺狀結(jié)構(gòu)，快速冷卻。地質(zhì)意義：地幔高溫下高度熔融的產(chǎn)物，可以反演地幔的微量元素和同位素特征，地溫梯度演化。,http://leggeo.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/volcanic-micro/komatiite.X

16、.html,金伯利巖：堿性或偏堿性的超基性巖，具有斑狀+/-角礫結(jié)構(gòu)。地質(zhì)意義：碳酸巖的交代和碳循環(huán)，深部(~200km)地幔的礦物化學(xué)特征，金剛石礦。,http://mineralstamps.com/news/diamond-kimberlite-volcano-lesotho-1976,安山巖,安山巖：中性的火山巖，由基性巖漿的分離結(jié)晶，陸殼物質(zhì)再熔融，或者基性和酸性巖漿混合形成。地質(zhì)意義：地幔對(duì)陸殼增生的貢獻(xiàn)，地幔熔融，俯沖

17、物質(zhì)再循環(huán)，地幔的溫度演化等等。,地幔的主、微量元素和同位素地幔端元和不均一性,地球化學(xué)指標(biāo)-主要元素,太古代、元古代和顯生宙橄欖巖中橄欖石比例和Mg/Fe的對(duì)比。問(wèn)題：為什么隨時(shí)間變化，橄欖石中的Fo逐漸降低？,問(wèn)題：從主要元素可以得到哪些信息？主要元素：溫度、壓力、熔融比例和溫壓歷史，以及地幔和地球某些元素的總成分。,Griffin et al. 2003,二輝橄欖巖－方輝橄欖巖－純橄巖,Griffin et al. 2003

18、,問(wèn)題：橄欖巖全巖CaO和Al2O3關(guān)系說(shuō)明什么過(guò)程？CaO和Na2O什么關(guān)系？和Mg#呢？,回顧相容元素和不相容元素的概念。哪些元素在橄欖巖熔融時(shí)相容，哪些不相容？,O同位素,基本原理：橄欖巖或者玄武巖異常的?18O說(shuō)明地幔或者巖漿受到曾出露于地表淺層的物質(zhì)的改造。,Eiler 2001,EMI和HIMU：不可能由大洋沉積物循環(huán)形成，可能由正常?18O的熔體交代形成。EMII：可能有大洋沉積物加入。高3He/4He：沒(méi)有去氣的原

19、始地幔，有爭(zhēng)議。低3He/4He：經(jīng)過(guò)去氣的地幔，可能是水熱相互作用，有爭(zhēng)議。,洋島玄武巖的氧同位素組成,放射成因同位素和地幔不均一,87Rb-87Sr, 87Sr/88Sr147Sm-143Nd, 143Nd/144Nd238U-206Pb, 206Pb/204Pb235U-207Pb, 207Pb/204Pb232Th-208Pb, 208Pb/204Pb176Lu-176Hf, 176Hf/177Hf187Re-18

20、7Os, 187Os/188Os,為什么放射成因同位素比值發(fā)生變化？母子體分異+長(zhǎng)時(shí)間的衰變。母子體如何分異？熔融，脫水，擴(kuò)散。,放射成因同位素,來(lái)自大西洋洋中脊的玄武巖的Sr-Nd同位素組成有明顯變化，其不均一的空間尺度從洋盆大小到公里甚至到幾米。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)地幔橄欖巖的直接測(cè)量發(fā)現(xiàn)了比玄武巖大得多的不均一性，表明玄武巖可能有一個(gè)小尺度的均一化的過(guò)程。,Hofmann 2003,地幔不均一性,原因：其源區(qū)中富集和虧損的組分同時(shí)共存

21、。,Hofmann 2003,問(wèn)題：為什么MORB的La/Sm有變化？,地幔端元,Hofmann 2003,DMM：Depleted MORB mantle，高?Nd, 低放射成因Sr和Pb同位素。HIMU：高?端元，高?Nd 低87Sr/86Sr，高放射成因Pb同位素EMI：富集地幔端元1，高87Sr/86Sr，低?Nd ，低放射成因PbEMII：富集地幔端元2，高207Pb，高87Sr/86Sr，低?Nd,多維地幔端元圖,解釋

22、：地幔中存在一些特殊的地球化學(xué)端元，MORB和OIB的同位素特征反映了這些端元的混合。意義：反映了地幔演化過(guò)程中由于地球循環(huán)、交代和熔融反應(yīng)產(chǎn)生的不均一。缺陷：地幔端元缺乏合理的巖石學(xué)和礦物學(xué)聯(lián)系，多是為了解釋同位素?cái)?shù)據(jù)。,大理石花紋蛋糕模型,Allègre and Turcotte 1986 Nature,Marble-cake mantle,橄欖巖中雜有幾厘米到幾十厘米厚度的輝石巖層，輝石巖相對(duì)富集，含有各種富集組分。

23、地幔熔融時(shí)，橄欖巖和輝石巖熔體相互混合。更多石榴子石和輝石參與熔融，則形成OIB，更多橄欖石參與熔融，則形成MORB。,俯沖的洋殼可以穿過(guò)或者停留在過(guò)渡帶上，地幔的流動(dòng)可以產(chǎn)生地幔的不均一性。,http://accessscience.com/content/Mantle-transition-zone-water-filter/YB051110,地球化學(xué)可以研究地球的現(xiàn)在和歷史，但是很難看到地球深部的信息。地球物理可以研究地球的現(xiàn)在