1、第十三章稀有气体同位素地球化学,第一节 稀有气体同位素地球化学研究概述,稀有气体，即氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr) 、氙(Xe)和氡(Rn)，又称惰性气体，系指化学元素周期表中的零族元素，以化学性质不活泼和在地球中含量稀少为特征。,正由于它的化学惰性和少的含量，稀有气体被发现、研究和应用都较晚。随着分析测试技术水平的提高，人们对稀有气体的物理化学性质有了较深的认识。近三四十年来，稀有气体同位素地球化学作为地球化学的一个分支，在地质领域研究与应用日广，特别是在地球起源、形成、演化以及岩矿成因、来源的研究中被广泛应用。,稀有气体元素是在18941900年间陆续发现的。Argon，意
2、为“懒惰”的意思，中译名为”氩”。Helium，意为“太阳元素” ，中译名为“氦” 。Krypton，即“隐藏”之意，它隐藏于空气中多年才被发现，中译名为“氪” 。,Neon，意为“新的”，即从空气中发现的新气体，中译名为“氖”。Xenon，意为“陌生的”，即人们所生疏的气体。中译名为“氙”。Radon，意为“放射的”，中文音译成“氡”1991年，全国自然科学名词审定员会公布的化学名词中正式规定，把惰性气体改称为稀有气体。其理由在于惰性气体的“惰性”是相对的。,一、 稀有气体同位素地球化学研究现状,稀有气体中，以He、Ar同位素在地质学中应用最早，范围最广，研究也最深入。He具两种稳定同位素：
3、 3He 和4HeAr有三种稳定同位素：40Ar、38Ar、36ArHe、Ar同位素比值被用于追溯岩浆起源、地球分层等问题。目前已对大气、地壳、上、下地幔等不同来源物质的He、Ar同位素组成有了较为清晰的认识。,相对于He、Ar，Ne、Kr、Xe、Rn的研究进展在过去相当长时间是缓慢的。特别是放射性的Rn，因其极微而难以测定的含量，目前研究极少。而Ne、Kr、Xe的研究在近年却呈一种蓬勃之势，但对它们在地球中作用与意义认识分歧明显。总之，稀有气体研究的总趋势是：He、Ar研究趋于成熟，Ne、Kr、Xe进展迅速。,二、稀有气体同位素比值的意义及应用领域,由于极微的含量，稀有气体元素用直接测试数据
4、有一些缺陷：如表述不便，分析精度影响显著，极难发现规律性等。因而稀有气体分析中应用更多的是其同位素比值，这种方式运用最广，可在一定程度上克服上述缺陷或不足。这些比值被用于分析地球中的多种问题，如：,3He/4He等用于区分构造环境，探讨地球圈层结构；3He/20Ne-4He/20Ne计算地幔氦输出量； 3He/4He、20Ne/22Ne、21Ne/22Ne、 40Ar/36Ar及Xe同位素等追溯物质源区；40Ar/39Ar，40K/40Ar，U-Th/4He等用于岩体的测年；,3He, 21Ne（宇宙射线生氦氖） 计算火山岩的暴露年龄及侵蚀率；4He/40Ar*(放射源)讨论岩浆房深度； 40
5、Ar/36Ar等用于大气混染程度分析，等等。,大洋玄武岩,大洋玄武岩,大洋玄武岩,近些年来，稀有气体与其它元素的相互关系，也有一些尝试性探讨问世，如：稀有气体与油气、岩浆中主要挥发分CO2、H2O、N2等的比值关系的讨论；稀有气体与C、O等稳定同位素的综合研究；稀有气体与Cu、Ag、Au等金属矿床成矿热液的关系；,不同构造环境幔源岩中稀有气体与微量元素Nd、Sr、Pb等的关系，等等。这些研究对了解岩浆作用过程中不同元素间的相互作用、解决矿体的来源、矿床受混染情况及分析对比不同构造环境等提供了依据。,三、定性研究日趋深入，定量模型初步建立,稀有气体在地质学中的研究，直到目前仍处于定性探讨为主的地
6、步。目前人们注意力集中于岩浆溯源、构造环境分析、地球圈层划分、矿体与稀有气体关系等问题的探讨之中。,随着理性认识的提高，以及越来越多数据的积累，为初步建立稀有气体在地质过程中的定量模型奠定了基础。如：地幔稀有气体分馏作用稀有气体在特定构造中的排气量稀有气体与大气演化，等等上述领域定量模拟计算是这类研究的典型例子。,第二节 地球稀有气体的源区,一、地球稀有气体源区划分 由于轻稀有气体元素He、Ne、Ar同位素组成在不同成因岩石中差异明显，在地质学中应用广泛，研究也较深入。Kaneoka等根据He、Ar同位素比值将地球上稀有气体分为四个终极源区：,以大气稀有气体同位素组成为特征。3He/4He为1
7、.410-6（记为Ra） 40Ar/36Ar=295.5 20Ne/22Ne值为9.8,大气型（A）,地壳型（C）,以地壳各类岩石、矿物、油气等流体为代表。3He/4He为210-8 40Ar/36Ar= 295.510420Ne/22Ne值分布范围广,以大洋中脊玄武岩为代表，又称MORB型。3He/4He为1.110-5（约8.0Ra）40Ar/36Ar= 295.510420Ne/22Ne值12.5/13.8,大洋中脊玄武岩(M)型,地幔羽型（P）,以洋岛玄武岩为代表，又称 OIB型。 3He/4He值大于8.0Ra40Ar/36Ar= 295.510420Ne/22Ne值12.5/13.
8、8,二、幔源岩中的稀有气体同位素比值与构造环境,1、He同位素：He是稀有气体中研究最多、应用也最广泛的气体。地球不同源区中He同位素明显不同，这使得He同位素成为目前最有效的地球化学示踪剂之一。,大洋中脊玄武岩（MORB）,大洋中脊是稀有气体研究最多的地区，目前已对大西洋中脊、东太平洋隆起和印度洋中脊等地区的玄武岩做了大量的研究工作，并取得了极有意义的成果。,大洋中脊玄武岩玻璃3He/4He,上述研究表明，大洋中脊玄武岩（MORB）具有相对稳定的He同位素比值：3He/4He1.110-5，相当于大气该比值（记作Ra）的8.0倍左右，这一比值被看作上地幔端元值。采自大西洋中脊的爆裂岩样2D4
9、3 （1985），孔隙度可达17%，被认为是最具代表性的地幔岩石，具典型的大洋中脊玄武岩型3He/4He值，即约8.0Ra。,对146个MORB样品的He同位素数据进行统计分析，分析表明，其中3He/4He=7.010.0Ra者为131个，约占统计总数的90%，表明MORB具非常一致的He同位素组成。,不同构造环境幔源样品He同位素,目前已对若干3He/4He值较MORB端元值高的地区作了研究，这些地区多属地球上的热点区，如Hawaii、Iceland、Samoa、Reunion等地区。大洋热点区主要存在两类幔源岩：玄武岩（OIB）及其包体，它们被认为主要源自地幔羽或下地幔，但也常有上升过程中
10、混合的上地幔、地壳组分。,洋岛玄武岩（OIB）,已有的研究表明，OIB及其地幔包体的3He/4He值分布范围极大，从低于大气值到高于MORB值都有。统计表明，OIB中3He/4He值介于7.010.0Ra者仅约18%，而高于10.0Ra者占65%，其中高于20.0Ra的比例为21%，大量高3He/4He值的出现表明这些物质主要来自深部源区。Hilton等最近在Iceland幔源岩中发现37.0Ra以上的3He/4He值，是目前已知热点区的最高值。,不同构造环境幔源样品He同位素,总体而言，消减带幔源岩的3He/4He值略低于MORB，也有类似或略高于MORB的值，如巴布亚新几内亚幔源岩3He/
11、4He值为2.027.53Ra；印尼岛弧为1.18.8Ra；马里亚纳海沟为6.717.36Ra。分析表明，介于1.0-7.0Ra的3He/4He值在沟弧区居于支配地位，约占统计数据的62%；7.0-10.0Ra者占37%。,消减带幔源岩,不同构造环境幔源样品He同位素,消减带3He/4He值的变化与地幔、大气、地壳及地幔羽等多种源区的相互作用有关，低3He/4He值显然与古板块俯冲可能带入的大气、地壳物质的混染有关；而高于MORB的3He/4He值通常被解释为地幔羽物质的存在，如日本岛弧即有高达12.0Ra的3He/4He值出现。,就大陆而言，随玄武岩喷出的幔源包体是研究大陆地幔流体的最主要样
12、品。Porcelli等首先对不同大陆新生代玄武岩中超镁铁岩包体做了稀有气体研究，发现这些地区的3He/4He值变化于6.010.0Ra间，这些值与近年对整个欧洲大陆、澳大利亚东南等地地幔包体研究的结果类似。,大陆幔源包体,玄武岩斑晶是研究大陆地幔流体的又一重要样品，意大利西西里火山岩斑晶中的He同位素研究结果与前述包体一致。由于受板块俯冲作用影响，环太平洋大陆边缘幔源岩中普遍存在低于MORB的3He/4He值，如：,南美安第斯山区热液和熔岩斑晶3He/4He值为0.186.9Ra；美国西部地区玄武岩斑晶和幔源包体单矿物中3He/4He值为4.148.19Ra；中国东部幔源岩3He/4He值变化
13、范围较大，但7.0Ra者约占70%。,美国黄石公园是研究较早的大陆热点区，Craig等在对该区地热流体研究中得到1.016.0Ra的3He/4He值；印度德干、西伯利亚大陆溢流玄武岩和埃塞俄比亚大陆溢流玄武岩都发现了明显高于MORB的3He/4He值（最高值分别为12.7Ra和19.6Ra）。,大陆热点区幔源岩,上述数据表明，与洋岛区一样，大陆热点地幔流体在具有高3He/4He值的同时，也具有变化宽广的3He/4He值范围（如埃塞俄比亚幔源岩为0.03519.6Ra），这或许与热点流体源深、运移过程中会遭受不同源区流体的混染有关。,2、Ar同位素,大洋中脊玄武岩（MORB）大洋中脊玄武岩的40
14、Ar/36Ar值变化范围较大， 从大气值到数万都有，如：东太平洋：5804370北大西洋：为42642366,Burnard等利用激光取气法对大洋中脊玄武岩样品2D43的研究中发现，其中一块样品的40Ar/36Ar比值高达64000，是目前所见幔源岩40Ar/36Ar最大值。实际上，介于29612000间的40Ar/36Ar值是MORB中最普遍的，占统计数据的97%以上，其中低于1000者仅占24.5%。,不同构造环境幔源样品Ar同位素,Allegre等曾提出下地幔具有与大气相似的40Ar/36Ar值，Loihi、Reunion等地研究结果表明，洋岛区幔源岩40Ar/36Ar值确实可低至大气值
15、，但主要分布范围与MORB类似（介于29612000间者约占94%），只是洋岛区有相当数量的点落在1000以下，约占43.4%。,洋岛玄武岩（OIB）,板块俯冲区幔源岩的40Ar/36Ar值总体较低，主要在4000以下，且4000者约占15%，被解释为放射性增生影响），Matsumoto et al.据此认为古大气混染在陆下地幔的存在是一种普遍现象,3、Ne同位素,大洋中脊玄武岩（MORB）大洋中脊玄武岩中20Ne/22Ne值普遍介于大气与地幔值之间，即介于9.812.5之间，如东太平洋为10.212.1，北大西洋为10.211.4，反映了大气-地幔端元的制约效应。,洋岛玄武岩（OIB）,重要
16、热点区之一的Samoa，20Ne/22Ne值介于10.012.5间，类似的20Ne/22Ne值也见于Reunion、Loihi等洋岛区。在Iceland地区得到迄今最高的地幔20Ne/22Ne值，为13.7，这一比值与太阳风无异。,由于OIB与MORB中均具有高的20Ne/22Ne值，许多研究者认为整个地幔含有太阳型（13.7）而非陨石型（12.5）的20Ne/22Ne值。有限的统计数据表明，在20Ne/22Ne值分布特征上MORB与OIB略有差异：MORB中11.0者约占57%，而OIB中11.0者约占66%。,不同构造环境幔源样品Ne同位素,大陆地幔20Ne/22Ne值与大洋样品（MORB
17、、OIB）类似，如：俄罗斯Kola半岛幔源岩为10.312.1澳大利亚东部的20Ne/22Ne值为9.711.7，环太平洋大陆边缘20Ne/22Ne值也与此类似。大陆幔源岩20Ne/22Ne值的典型特征之一是9.8者普遍存在，且比例较高，185个统计数据中有79个样品的20Ne/22Ne 9.8，约占统计数据的43%。,大陆幔源包体,4、中国东部幔源包体中的稀有气体同位素组成与构造环境,中、新生代以来，中国东部受太平洋板块影响，构造岩浆作用活跃，有大量新生代玄武岩分布，其中含丰富包体和巨晶，为研究中国东部陆下地幔提供了条件，目前已对该区部分幔源包体做了稀有气体同位素研究。,3He/4He,中国
18、东部地区幔源包体稀有气体同位素组成具如下特征：3He/4He值总体偏低，分布范围为0.11511.3Ra，其中，介于1.07.0 Ra者比例较大（约67%）。最近，李延河等在东部一个幔源巨晶中发现异常高的3He/4He值（达694Ra），其成因尚不明了。,40Ar/36Ar,中国东部幔源包体的40Ar/36Ar值较低，为2512325，其中大于1000者不足11%，总体上明显低于MORB和OIB，与美国西部等大陆边缘的幔源岩类似，也与大洋沟弧系类似；与其它大陆比较，中国东部幔源包体的低40Ar/36Ar特征尤为突出。,20Ne/22Ne,中国东部幔源包体的20Ne/22Ne值（9.512.2）
19、与澳大利亚等大陆的幔源包体类似，也有相当比例（约35%）的样品20Ne/22Ne1000的样品做进一步的分析，发现其15N与金刚石的很相似（-3.31.0），意味着这部分样品可能来自更深的软流圈地幔。,Condomines等对冰岛某地共生岩浆系列做了较为系统的研究，发现该区玄武岩3He/4He（=3.5923.9Ra）、18O值（3.25.4）具地壳与地幔源区的混合特征；而中酸性火山岩中3He/4He值（0.821.5 Ra）与大气接近，18O值明显低于MORB（1.374.05），主要反映了大气的强烈影响。,油气源区,油气中稀有气体的研究有着重要的理论与实践意义，故而成为稀有气体与稳定同位素
20、结合最多的领域之一。基于前人研究，朱岳年等以3He/4He、13C作为判断依据，将CO2气的来源归结为类，如地幔脱气CO2为13C值介于-4，有机成因CO2的13C介于-20-10, 海相碳酸岩热分解CO2的13C介于-3.7+3.7，结合3He/4He值可有效地推溯CO2的来源构成。,澳大利亚甘比尔火山湖附近液态CO2井中，13C-3.7-4.3，3He/4He3Ra，He/Ne值为大气的1370倍，具明显地幔源特征。我国松辽盆地万金塔CO2气藏13C-2.6-9.96，3He/4He2.26 Ra4.96Ra，亦具幔源特征。,稀有气体与流体组分的比值,稀有气体与CO2、CH4、N2等流体主
21、要组分的综合研究是新近受到人们注意的崭新领域，在最近二十年来发展强劲，是目前正在发展和完善的流体判识体系之一。其中，CO2、N2 、CH4等气体与轻稀有气体的比值是较为常用的判识指标 。,Giggenbach、Norman等的长期研究表明，热液流体中的N2、Ar、He含量间的相互关系可以判断流体的来源，因为大气中N2/Ar为83.6，大气饱和水（含海水）N2/Ar为38，岩浆水因俯冲有机沉积物分解而N2/Ar很高（200）。,壳源物质中含有大量有机质，其中蛋白质等的分解可产生大量的N2，因而一些明显受壳源有机质混染的流体，N2/Ar值要高得多，如美国西部San Carlos地区地幔岩包体单矿物
22、N2/Ar值多在285132020之间，显示了壳源有机质的贡献。上述特征结合流体的3He/4He值即可有效地解决热液来源问题。,Marty等首先注意到，大洋中脊玄武岩中的流体具有极为一致的CO2/3He摩尔比值，约为2109，其后的研究表明，虽然不同地区的玄武岩间略有差异，但CO2/3He值基本上都在109数量级上，这一特征在洋岛、大陆玄武岩及幔源热液中也具有普遍意义。,地幔流体中上述特征存在的可能机理是：地幔条件下不大可能存在自由流体相，各类挥发分主要分散溶解在硅酸岩熔体中；在岩浆形成CO2气泡过程中，He作为不相容元素优先富集于CO2气泡中，其CO2/3He值在上地幔范围为109数量级；由
23、于岩浆上升运移过程很短，而地幔挥发分的量很小，因而流体之间的分馏作用很微弱，基本保持了地幔源区CO2/3He比例。,地壳中由于大量有机质的存在和贫3He，CO2/3He比值可高达10121013，远较地幔值高；同时3He/4He值很低（210-8）。因而高CO2/3He值、低3He/4He值可看作地壳/沉积层特征，如窑街煤田突出气3He/4He介于0.00420.185Ra，而CO2/3He值可高达6000109。由于洋壳的混染，俯冲板块相关区域幔源流体的CO2/3He比值通常较大洋中脊玄武岩高，可达130109。,不同流体源区的CO2/3He、N2/Ar、N2/3He等比值特征参数,三、幔源
24、岩类中的稀有气体同位素与Sr、Nd、Pb同位素研究,前已述及，Sr-Nd-Pb同位素是相对成熟且极为有效的岩体示踪体系，在幔源岩研究中应用广泛。稀有气体则是当前迅速发展的一种有效示踪体系。,上述原理不同而又同样有效的两种示踪体系的结合，将会更好地揭示地幔的组成特征。近年来已有不少这方面的研究问世。根据对大洋中脊玄武岩（MORB）和洋岛玄武岩（OIB）Sr、Nd、Pb同位素相关性特征的研究，已经鉴定出4个代表性的地幔化学组分端元：,亏损的洋中脊玄武岩地幔（DMM）；高U/Pb值地幔（HIMU）；I型富集地幔（EM1）；II型富集地幔（EM2）。其中DMM相当于MORB组分；EM1、EM2、HIM
25、U是构成OIB的三种主要端元。,大洋玄武岩He与Sr、Nd、Pb关系图,Poreda等在对Lau Basin弧后玄武岩的研究中发现，该区3He/4He =7-22Ra，明显有深部地幔物质的存在。有趣的是，在Rochambeau Bank地区：3He/4He与87Sr/86Sr呈正相关 3He/4He与143Nd/144Nd呈负相关；而在相邻的Somoan地区：3He/4He与87Sr/86Sr呈负相关 3He/4He与143Nd/144Nd呈正相关。即两区Sr、Nd同位素与He同位素序列呈镜像分布，如下图。,Lau 盆地He与Sr、Nd、Pb关系图,鉴于相距600km的Rochambeau B
26、ank与Somoan分别位于Tonga海沟的两侧，地理上很接近，因而它们可能同源，也就是说，Rochambeau Bank区源区物质很可能是上升的地幔羽被下沉的太平样板块在700km深处阻塞而形成的分支，它混入了洋壳成分。,事实上，由于混染等后期过程的影响，许多地区并不存在这种良好的相关性。如Iceland地区玄武岩及中酸性玻璃中，3He/4He与87Sr/86Sr、143Nd/144Nd无明显线性关系，Condomines等认为这是因为新岩浆与老的、已发生过物质交换的玄武岩的相互作用改变了87Sr/86Sr、143Nd/144Nd和3He/4He值，这个混染过程扰乱了玄武岩源区同位素的分异。,复习题,1，地球上，稀有气体有哪几个终极源区？ 不同源区He、Ar同位素组成参考值各是什么？2，不同构造环境幔源岩中He同位素组成有什么特点？为什么？,
