熔体包裹体和Li同位素在地球科学研究中的应用

摘要

随着分析技术的快速发展，有关熔体包裹体和Li同位素的研究已成为国际地球科学日益兴盛的研究领域。目前，单个熔体包裹体的LA-ICP-MS分析技术以及Li同位素分析技术在我国尚处于初步发展的阶段，相关的地质应用研究也较少，因此，在我国建立相关的分析方法，并开展熔体包裹体和Li同位素的研究工作对于促进这两个研究领域在国内的发展具有重要的意义。
　　本博士论文的第一个研究内容是在我国建立LA-ICP-MS分析单个硅酸盐熔体包裹体的方法，并运用此方法对方城玄武岩中熔体包裹体进行较为系统的研究，以探讨方城玄武岩的岩浆演化过程以及华北克拉通中生代地幔的橄榄岩-熔体反应方式。
　　方城玄武岩的单斜辉石和斜方辉石斑晶中仅发育有原生的硅酸盐熔体包裹体，在捕掳体和捕掳晶单斜辉石中则发育有复杂的熔体包裹体（包括硅酸盐熔体包裹体、碳酸盐熔体包裹体和硫化物熔体包裹体）和流体包裹体。单斜辉石和斜方辉石斑晶中原生熔体包裹体的LA-ICP-MS分析结果表明，不同辉石中的熔体包裹体捕获的是同一岩浆演化至不同阶段的熔体。这些熔体包裹体的主微量元素呈现出不耦合的特征，表明在岩浆上升过程中经历了超镁铁质岩石的混染和浅部的结晶分异作用。斑晶中熔体包裹体的微量元素特征与华北和扬子克拉通的平均上地壳组成相似，暗示了在方城玄武岩的岩浆源区有大量陆壳物质的贡献。通过计算获得的方城玄武岩初始岩浆具有低镁（MgO～5.96 wt％）、高铝（Al2O3～16.81wt％）、高Sr(1670 ppm)和高Sr/Y(＞40)的特征，表明方城玄武岩可能是俯冲至华北克拉通之下的扬子陆壳物质部分熔融的产物。捕掳体和捕掳晶中复杂的熔体包裹体和流体包裹体记录了一种罕见的橄榄岩-熔体反应，即橄榄石+碳酸质熔体1=单斜辉石+熔体2±CO2，反应产生的熔体2会富集轻稀土和CO2。这种橄榄岩-熔体反应在中生代华北克拉通岩石圈地幔可能普遍存在，并可能是造成中生代华北克拉通岩石圈地幔性质快速转变的主要原因之一。
　　本博士论文的第二个研究内容是在国内建立Li同位素的纯化流程和分析方法，并对蚌埠荆山地区的碰撞后岩浆岩以及浙江煤山晚二叠至早三叠的沉积剖面进行相关的Li同位素地球化学研究，应用Li同位素来示踪荆山淡色花岗岩及辉绿岩脉的岩浆源区、部分熔融过程以及P-T界面的全球风化过程。
　　荆山辉绿岩脉至花岗岩剖面的主微量元素呈现出了系统性的变化，表现为从远离辉绿岩脉的淡色花岗岩至靠近脉体的淡色花岗岩，其流体活动性元素(如Li、Rb、Cs、Ba、Pb)含量和δ7Li呈现出持续降低的趋势，而流体不活动元素（如Ti、V、Nb、Zr)含量则不发生变化，同时，全岩粉末的烧失量在靠近辉绿岩脉的花岗岩中呈现出明显升高的趋势。在辉绿岩脉中，主-微量元素以及Li同位素组成都很均一。这些特征表明在辉绿岩脉侵位前，靠近断裂或裂隙的淡色花岗岩存在一定程度的流体蚀变，并导致了蚀变花岗岩具有相比于主体淡色花岗岩轻的Li同位素组成。
　　荆山淡色花岗岩具有相比于世界范围内I、S、A型花岗岩明显低的Li含量(4.7-11.3 ppm)和高的δ7Li(+4.0‰至+9.0‰)。而其中的镁铁质暗色包体具有非常高的Li含量(高达118.2ppm)和低的δ7Li（低至+0.8‰）。微量元素（REE和Sr、Y）模拟以及Li同位素二元混合计算表明，荆山淡色花岗岩的Li同位素以及微量元素组成可以用扬子俯冲地壳物质的不一致部分熔融来解释，即通过转熔反应:bt+qtz+plag=grt+melt来实现。转熔过程中形成的具有高Li含量和低δ7Li的富石榴子石残留相留在源区，导致部分熔融的熔体具有比源岩更低的Li含量和更重的Li同位素组成。荆山辉绿岩脉（δ7Li～+2.2‰）具有比地幔值更轻的Li同位素组成，表明其源岩有轻Li同位素组成物质的加入。Li同位素模拟的结果表明荆山辉绿岩脉的Li同位素组成可以用亏损地幔加区域下地壳物质的部分熔融来解释。然而辉绿岩脉具有很高的Li含量(67.2-108.6 ppm)、高的Li/Y、Ba/Nb比值和低的Rb/Cs比值，这些特征表明在辉绿岩脉部分熔融过程中可能有富Li流体的参与。
　　煤山沉积剖面的主-微量元素和Li同位素组成都存在较大的变化范围，并表现出同沉积层位岩性相关的特征。在元素相关性图解中，22-24层样品都落在了碳酸盐和燧石的混合线上，26-30层样品都落在了碳酸盐+燧石和粘土矿物的混合线上，25层样品由于高岭土含量较高而显示出与其他层位不同的元素含量特征。通过计算可获得不同层位样品中控制Li同位素的碳酸盐和粘土矿物端元的Li同位素组成，并依此来反演P-T界面海水的Li同位素组成。反演的P-T界面海水的Li同位素组成相比于现今海水低～15‰。全球海水的Li同位素稳态和动态模型的模拟结果表明，增加全球河流Li的输入量以及降低河流δ7Li值是P-T界面海水的Li同位素低值特征的唯一合理解释，即表明在晚二叠存在着全球性大陆地壳的快速风化过程。结合前人对P-T界面的研究，我们认为晚二叠世大量喷发的西伯利亚溢流玄武岩、火山灰以及释放到大气中的CO2和SO2所引起的全球变暖和酸雨是造成全球大陆风化速率加快的可能原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 研究内容

1．3 论文工作量小结

第二章 熔体包裹体研究现状及选题意义

2．1 研究背景

2．1．1 熔体包裹体的种类

2．1．2 熔体包裹体的成因

2．1．3 熔体包裹体捕获后的变化

2．1．4 熔体包裹体的成分分析技术

2．2 选题背景及意义

第三章 方城玄武岩斑晶、捕掳晶和捕掳体中熔体包裹体研究

3．1 引言

3．2 地质背景和样品

3．2．1 地质背景介绍

3．2．2 样品描述

3．3 熔体包裹体和流体包裹体岩相学观察

3．3．1 斑晶中的熔体包裹体

3．3．2 捕掳体和捕掳晶中的熔体包裹体及流体包裹体

3．4 分析方法

3．5 分析结果

3．5．1 斑晶、捕掳晶和捕掳体代表矿物的化学组成

3．5．2 熔体包裹体和流体包裹体显微测温

3．5．3 流体包裹体激光拉曼光谱

3．5．4 熔体包裹体化学组成

3．6 讨论

3．6．1 熔体包裹体和流体包裹体的捕获条件

3．6．2 方城玄武岩岩浆演化

3．6．3 橄榄单斜辉石岩捕掳体的成因及其记录的橄榄岩-熔体反应

3．7 小结

第四章 Li同位素地球化学研究现状及选题意义

4．1 自然界Li元素的赋存状态及其地球化学性质

4．2 Li同位素体系及其表达形式

4．3 Li同位素的主要储库

4．3．1 陨石和地外样品的Li同位素组成

4．3．2 地幔的Li同位素组成

4．3．3 洋壳的Li同位素组成

4．3．4 大陆地壳的Li同位素组成

4．3．5 水图的Li同位素组成

4．4 Li同位素自然条件下的分馏行为

4．4．1 低温环境下的Li同位素分馏

4．4．2 高温环境下的Li同位素分馏

4．4．3 动力学Li同位素分馏(扩散作用)

4．5 Li同位素选题依据及其意义

第五章 Li同位素分析方法

5．1 Li同位素分离纯化及分析发展历史

5．1．1 Li同位素分离提纯流程

5．1．2 Li同位素质谱测定

5．1．3 原位Li同位素分析技术

5．2 Li的样品纯化流程

5．2．1 实验器材及化学试剂

5．2．2 样品的制备及溶样流程

5．2．3 离子交换柱层析分离

5．3 Li同位素测定

5．4 Li同位素测定过程中的干扰因素

5．4．1 同质异位素干扰

5．4．2 基质效应

5．4．3 浓度匹配

5．5 国际标样测定

第六章 荆山淡色花岗岩及辉绿岩脉的Li同位素研究

6．1 引言

6．2 区域地质概况及样品描述

6．2．1 地质概况

6．2．2 采样策略及样品描述

6．3 分析方法

6．4 分析结果

6．4．1 主微量元素

6．4．2 Li含量和Li同位素

6．5 讨论

6．5．1 淡色花岗岩中的流体蚀变过程

6．5．2 辉绿岩脉侵位过程中有限的扩散作用

6．5．3 荆山淡色花岗岩的成因

6．5．4 辉绿岩脉的成因

6．6 小结

第七章 浙江煤山P-T界面Li同位素研究

7．1 引言

7．2 区域地质概况与研究样品

7．3 分析方法

7．4 分析结果

7．4．1 沉积剖面的Li同位素和主微量元素含量

7．4．2 晚二叠至早三叠古海水Li同位素反演

7．4．3 全球海水的Li同位素变化模拟

7．5 讨论

7．5．1 Li同位素示踪大陆风化过程

7．5．2 晚二叠世的大陆风化特征

7．6 小结

第八章 结论

参考文献

致谢

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