岩浆演化过程中Fe同位素分馏机制及实验制约岩浆-热液间Cu同位素分馏

摘要

近二十年来，多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的诞生和发展使得精确测量原子序数较大的元素的同位素组成成为可能。高精度的同位素数据有利于有效分辨高温地质过程造成的极小的同位素分馏。到目前为止，自然样品包括地球样品和天体样品的同位素组成得到了广泛测量。然而，我们对同位素数据的理解及其有效应用需要依赖同位素分馏机制的基本理论。结合相应的分馏机制，金属稳定同位素日渐成为研究一系列高温地质过程的有效工具。自然样品测量、实验校正及理论计算是研究同位素分馏机制的三种有效方式。本研究感兴趣的同位素体系包括Fe和Cu。针对这两种元素的地球化学性质和同位素地球化学研究现状，本论文首先利用研究程度较高的自然样品探讨成分变化较大的火山岩中Fe同位素分馏机制，然后通过高温高压实验结合同位素分析研究硅酸盐熔体/含氯流体间的Cu同位素分馏机制。
　　为研究高度演化的火成岩中铁同位素分馏机制，本论文选取了研究程度较高的、来自中国东北海拉尔盆地的双峰式火山岩样品，测量了这套样品的铁和锌同位素组成。样品岩性包括玄武质粗安岩、粗面流纹英安岩和流纹岩。结果表明δ56Fe值随SiO2含量升高而升高，最高达0.64±0.02‰。δ56Fe与Rb/La比值没有明显的相关性，排除流体溶出对Fe同位素的影响;δ56Fe与δ66Zn没有明显的相关性，表明热扩散对铁同位素影响不显著;δ56Fe与放射成因同位素组成(εNd)没有明显相关性，排除海拉尔火山岩样品混染地壳中高δ56Fe物质的可能。
　　结合样品的主微量及放射成因同位素特征，海拉尔双峰式火山岩样品的Fe同位素变化可以用两阶段岩浆作用来解释。首先，平均δ56Fe为0.09±0.14‰的玄武质粗安岩通过部分熔融产生了粗面流纹英安岩，其平均δ56Fe值为0.24±0.27‰。利用rhyolite-MELTS模拟表明，具有不同同位素组成的Fe3+和Fe2+在部分熔融产生的熔体和残余固相之间分配可以解释粗面流纹英安岩中的铁同位素变化;其次，通过部分熔融或高程度分离结晶可以产生具有显著高δ56Fe的流纹岩。由于流纹岩中Fe特殊的配位环境，在岩浆作用过程中同位素组成更重的Fe优先进入流纹质熔体中。因此，岩浆作用过程中熔体和矿物之间的Fe同位素分馏可以导致熔体中显著富集重铁同位素，从而产生大陆地壳内部极不均一的Fe同位素组成。
　　热液流体对岩浆演化和挥发分及金属在地壳和地幔中的运输起关键作用。为探索铜同位素在示踪热液流体活动方面的潜力，本研究实验测量了含Cl的热液流体和硅酸盐岩浆（安山岩，英安岩，流纹英安岩，流纹岩和纯花岗岩）之间的铜同位素分馏系数。实验过程中，含1.75-14wt％Cl的流体与岩石粉末以同等比例封闭在Au95Cu5材质的样品仓中，在800至850℃和2kbar温度压力条件下发生化学交换反应7至13天。然后利用(LA-)ICP-MS和MC-ICP-MS分析回收的流体和固相产物的主微量元素和Cu同位素组成。
　　本研究的实验结果表明，流体相对于硅酸盐熔体系统富集重Cu同位素，同位素分馏系数(△65CUFLUID-MELT)在0.09‰～0.69‰之间。在本研究的实验条件范围内，流体和硅酸盐熔体之间Cu同位素分馏大小主要取决于流体和硅酸盐熔体中Cu的种型。当固定Cl浓度(3.5wt％)和温度(850℃)时，△65CUFLUID-MELT与起始岩石成分变化引起的流体成分相关，表明流体成分影响流体中Cu的种型。温度和盐度也会影响流体的成分，从而对流体和熔体之间的Cu同位素分馏造成影响。本研究的实验结果表明，岩浆流体的δ65Cu高于残余岩浆，可以用来监测挥发份流通。本研究的数据可以解释与岩浆热液反应的岩石的铜同位素异常。结合前人对斑岩型矿床的卤水和蒸汽相的Cu同位素研究，我们的结果可以帮助更好地理解铜矿化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 Fe元素及其稳定同位素的基本性质

1．2 岩浆演化过程中铁同位素分馏机制研究的选题依据及意义

1．3 铜元素及其稳定同位素的地球化学性质

1．4 岩浆-流体间Cu同位素分馏系数研究的选题依据及意义

1．5 研究内容

1．6 论文工作量小结

第二章 岩浆演化过程中铁同位素分馏机制：来自海拉尔双峰式火山岩的制约

2．1 引言

2．2 海拉尔盆地．中国东北．中亚造山带构造背景简介

2．3 海拉尔双蜂式火山岩的地球化学特征

2．4 分析方法

2．5 分析结果

2．6 双蜂式火山岩中铁同位素分馏机制

2．6．1 流体出溶作用

2．6．2 热扩散作用

2．6．3 地壳混染作用

2．6．4 矿物-熔体间铁同位素分馏

2．6 小结

第三章 实验制约岩浆-热液流体间铜同位素分馏

3．1 引言

3．2 方法

3．2．1 实验流程

3．2．2 SEM和EDS

3．2．3 主量和微量元素组成

3．2．4 Cu同位素分析

3．3 结果

3．3．1 产物的结构

3．3．2 产物的化学组成

3．3．3 产物的Cu同位素组成

3．4 讨论

3．4．1 热力学平衡

3．4．2 岩浆中晶体的存在对Cu同位素分馏的影响

3．4．3 实验各相中Cu的价态和配位环境

3．4．4 种型、化学组成及温度对Cu同位素分馏的影响

3．5 地质意义

3．5．1 模拟挥发分流通(volatile fluxing)

3．5．2 对斑岩型铜矿成因的指示

3．6 小结

第四章 结论及展望

4．2 岩浆与热液流体间Cu同位素分馏

4．3 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果