钙同位素在地幔中的分馏

摘要

钙是地幔和地壳的主要造岩元素之一，也是生物必须的营养元素之一，在地球各个圈层分布广泛。从上世纪90年代开始，钙同位素逐渐成为同位素地球化学的一个研究热点。目前对大量自然样品的钙同位素观测显示，自然界中存在着约～4‰的分馏，揭示了钙同位素在示踪多种地质过程的应用前景。目前与钙同位素相关的研究应用主要集中在低温领域，这些研究发现矿物风化，碳酸盐沉淀，生物矿化反应等过程中存在显著的钙同位素分馏，这预示钙同位素有潜力作为一种表生物质再循环的示踪剂。为了使钙同位素更好的应用于固体地球科学的研究中，我们需要充分了解深部地球的钙同位素组成，但目前高温钙同位素的研究应用较少，地幔储库的组成，钙同位素在高温地质过程中的行为等基本问题依然不清楚。 目前主要存在的问题有:(1)地幔岩中含钙矿物如单斜辉石，斜方辉石，石榴子石，橄榄石的矿物间钙同位素分馏机制尚不清楚;(2)前人对全硅酸盐地球(bulk silicate earth，简称BSE，指核幔分异，地球经历去挥发分过程后的残留硅酸盐组分）的钙同位素组成的厘定工作较为粗略;(3)除去橄榄岩外的其他地幔岩如辉石岩，榴辉岩等的钙同位素组成尚没有工作报道;(4)不清楚地幔部分熔融过程以及地幔交代过程中是否会发生钙同位素分馏。在本论文中，我们测试了一系列典型的地幔橄榄岩包体，辉石岩包体以及榴辉岩包体的全岩及单矿物的钙同位素组成，试图对上述这些问题进行制约。 为了制约地幔含钙矿物的钙同位素组成及其矿物间分馏机制，我们研究了中国多个地区包括河北汉诺坝，江苏练山，海南蓬莱的地幔橄榄岩包体，通过测试这些橄榄岩包体中单斜辉石，斜方辉石，橄榄石的钙同位素数据，我们发现这些矿物中钙同位素轻重富集顺序为斜方辉石≈橄榄石＞单斜辉石，并且不同样品斜方辉石的钙同位素组成差异可以超过1‰以上，不同样品单斜辉石的钙同位素组成较为均一，但同一样品两种辉石之间的钙同位素分馏值△44/40Caopx-cpx可从-0.01‰变化到1.11‰，并且与两种辉石的成分(如Ca/(Mg+Fe+Ca)，摩尔比）均显示出了明显的相关性，综合第一性原理计算的结果，我们推测在地幔温度下800-1200℃间，两种辉石间的钙同位素矿物间分馏应该在0.0‰-0.4‰之间，而和矿物成分显示出相关性的样品实际反映了动力学过程的控制。这是因为快速冷却，地幔交代，部分熔融等过程可能会在原本处于平衡状态的矿物间造成化学不平衡，为了达到新的平衡状态，钙在两种辉石固溶体之间会重新分配，而在分配过程中由于轻同位素比重同位素迁移快，又因为斜方辉石中钙含量较低(0.2-1wt％)，这样动力学效应就会在斜方辉石中产生巨大的影响，从而导致△44/40Caopx-cpx与两种辉石的成分都显示出了相关性。 我们也对来自西伯利亚克拉通的榴辉岩地幔包体及其单矿物进行了钙同位素研究，榴辉岩中的石榴石单矿物的钙同位素组成系统性的比共生单斜辉石重0.2-0.3‰，这一观测结果与第一性原理计算得出的结果相符，说明这些样品中的矿物间钙同位素分馏反映了矿物结构控制的平衡分馏。因为重同位素会富集在更强的成键环境中，石榴石中的Ca-O键长短于单斜辉石，成键环境更强，因此石榴石会相对单斜辉石富集重同位素。 为了准确的制约BSE的钙同位素组成，我们选取了蒙古Tariat的一套原始的，饱满的地幔橄榄岩样品，这些样品的主量元素基本与BSE的估计值重叠，并且这些样品基本没有经历过部分熔融以及后期的交代作用，非常适合用于厘定BSE的组成，这14个样品显示出了非常均一的钙同位素组成，根据这些样品测试的平均值，我们确定BSE的δ44/40Ca为0.94±0.05‰(2SD)。 部分熔融是重要的地幔过程之一，我们通过研究蒙古及西伯利亚克拉通的中高程度亏损的地幔橄榄岩样品来确定部分熔融过程是否会造成钙同位素分馏，我们的观测发现，中高程度亏损(＞20％)的地幔橄榄岩δ44/40Ca比BSE值略微重0.1‰，这是因为地幔熔融过程中首先消耗单斜辉石，而单斜辉石中钙含量占全岩的90％以上，且单斜辉石的钙同位素比橄榄石和斜方辉石都轻，因此当地幔熔融将单斜辉石消耗殆尽（＞25％熔融程度）时，残留地幔的钙同位素组成将受到斜方辉石和橄榄石的控制，呈现出重钙同位素特征。我们判断，中低程度的地幔熔融不会产生显著的钙同位素分馏，而当熔融程度超过25％时，残留地幔的钙同位素组成会相对饱满地幔明显偏高。 地幔交代是一种复杂的地幔过程，我们对西伯利亚高程度交代的地幔橄榄岩样品的研究显示，大部分受交代的地幔橄榄岩都倾向于富集轻的钙同位素，并且他们的钙同位素组成与交代指标如Ce/Eu等存在相关性，这说明这些样品的钙同位素受到了地幔交代的影响，其原因可能是富轻钙同位素的熔流体对地幔进行改造，需要注意的是，熔体渗滤地幔时发生的动力学效应也可能进一步扩大橄榄岩的钙同位素分馏尺度。综上，我们的结果说明地幔的钙同位素组成是不均一的，造成这种不均一性的原因主要为地幔交代过程。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1钙元素地球化学

1．1．1钙元素的基本性质

1．1．2钙的元素地球化学

1．2钙的同位素地球化学

1．3钙同位素的发展历史

1．4选题依据及其意义

1．5 研究内容及论文工作量小结

1．5．1研究内容

1．5．2论文工作量小结

第二章分析方法

2．2 铁同位素分析方法

2．3钙同位素分析方法

2．3．2双稀释剂的配制

2．3．3钙同位素的化学流程

2．3．4质谱测定

第三章中国东部地幔包体及其矿物的钙同位素组成

3．1引言

3．2样品地质背景及描述

3．3结果

3．4讨论

3．4．1平衡还是不平衡控制的矿物间分馏

3．4．2成分效应对于矿物间平衡分馏的影响

3．4．3全岩的钙同位素特征

3．5小结

第四章单斜辉石与斜方辉石之间的钙同位素动力学分馏

4．1引言

4．2地质背景和样品描述

4．4结果

4．4．1矿物和全岩的主量元素组成

4．4．2单斜辉石的微量元素组成

4．4．3同位素组成

4．5讨论

4．5．1 平衡状态与温度估计

4．5．2单斜辉石和斜方辉石的钙同位素分馏

4．5．3反应动力学控制的同位素分馏模型

4．5．4异剥橄榄岩中的重钙铁同位素的起源

4．6小结

第五章部分熔融以及地幔交代引起的钙同位素分馏及全硅酸盐地球的钙同位素组成

5．1引言

5．2地质背景和样品描述

5．3结果

5．4讨论

5．4．1制约地幔的钙同位素组成：全岩组成vs．矿物组成

5．4．2 BSE的钙同位素组成

5．4．3部分熔融过程中钙同位素的分馏

5．4．4交代后橄榄岩的钙同位素组成

5．4．5 3a型地幔橄榄岩的钙同位素组成

5．4．6钙同位素中等偏轻的3b型橄榄岩

5．4．7大洋玄武岩与地幔钙同位素组成的关系

5．4．8不同星体之间的对比

5．5小结

第六章硅酸盐熔体-橄榄岩相互作用时钙同位素的分馏

6．1引言

6．2样品的地质背景介绍和描述

6．2．1样品采样地点以及地质背景

6．2．2样品的类型以及化学组成

6．3结果

6．4讨论

6．4．1 Udachnaya榴辉岩包体的钙同位素

6．4．2 Tariat包体的钙同位素组成

6．4．3 Tok地区LH系列橄榄岩的钙同位素组成

6．4．4 Tok橄榄岩中LW的系列轻钙同位素特征

6．4．5具有轻钙同位素的交代熔流体

6．4．6对异剥橄榄岩以及克拉通演化的启示

6．5小结

第七章结论与展望

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

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