HF-Fe同位素分析方法及其在腾冲火山岩研究中的应用

摘要

近年来，随着同位素测试技术的革新以及现代分析仪器的开发和推广，同位素分析方法（包括放射成因同位素分析和稳定同位素分析）迅速发展，已成为地学研究中一门重要的分析技术。壳-幔体系中，放射成因同位素铪(Hf)在示踪源区特征及演化过程方面，能比传统锶-钕-铅(Sr-Nd-Pb)同位素提供更好的观察视角;金属稳定同位素铁(Fe)依据同位素分馏规律，在示踪岩石成因上具有显著优势，现已成为一种新的地球化学示踪剂。基于同位素分析方法蓬勃发展的大背景下，并结合放射成因同位素和金属稳定同位素的独特示踪优势，我们在Hf-Fe同位素联合分析方法及地质应用方面开展了一系列工作，以期更精确地揭示岩石的源区特征和壳-幔相互作用，为同位素地球化学领域开辟一条新的研究思路。本论文主要从以下四个方面展开:
　　(1) Hf、 Fe同位素分析方法研究进展
　　随着多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的发展，同位素分析方法出现重大突破。本部分综述了Hf、Fe同位素分析技术的发展历程，Hf、 Fe化学分离方法的研究进展以及质谱测定的影响因素。纵观前人研究，Hf和Fe独立的化学分离方法已经日趋成熟，并被广泛应用于国内、外各大实验室。此外，MC-ICP-MS已成为当前Hf、 Fe同位素组成测定的主流方法。
　　(2)建立“同一岩样Hf-Fe化学分离方法”
　　前人研究表明，主量元素Fe对Hf同位素分析会产生巨大的干扰（如聚合物干扰、基质效应等），如何从Hf待测溶液中彻底去除Fe是一个亟待解决的问题。然而，近年来Hf-Fe同位素联合分析在高温地质应用中的潜在价值逐渐被发现。由此，我们提出一个设想:是否能从同一份地质样品中分离、纯化出Hf和Fe?如此，不但能消除Fe对Hf的干扰，还能就一份岩样同时获得它们的Hf、Fe同位素信息，进而达到Hf-Fe同位素联合分析的目的。基于前人独立的Hf、Fe分离理念，我们设计出一套简单且高效的Hf-Fe多元素化学分离流程。这是一套离子交换色谱法和提取色谱法相结合的两阶段分离流程，先通过Bio-Rad AG-MP-1M阴离子交换树脂从充分溶解的岩液中分离获得Fe元素，再将所接收到的含Hf基质溶液经Eichrom LN-Spec树脂进一步分离纯化出Hf元素。值得一提的是，本流程除了能彻底分离Hf和Fe之外，还可以根据需要，进一步分离纯化出Lu、Rb、Sr、Sm、Nd、Pb等多种元素，能够就同一份样品提供更多的同位素信息。
　　(3)确立“合适的Hf、 Fe同位素标准物质”
　　准确可靠的同位素标准物质是支撑同位素分析技术发展的一个重要保证。然而，就Hf、 Fe同位素分析而言，国际标准物质的供不应求很大程度上阻碍了该技术的推广。同时，一种新Hf、 Fe国际标准的建立，不仅难度大且耗时长。因此，人们尝试从现有的元素标准物质中寻找适合用于同位素分析的“内部标准”，来协助国际标准一起完成常规测试。基于此，我们首次对三种国家火成岩一级标准物质(GSR-1花岗岩;GSR-2安山岩;GSR-3玄武岩)进行了系统的Hf、 Fe同位素分析，判定它们是否适合用作Hf、 Fe同位素分析的“内部标准”。分析结果表明，GSR-2和GSR-3均适合用作Hf同位素分析的内部标准，相应的同位素组成推荐值分别为176Hf/177Hf=0.282641±6(MSWD=1.5，2σ，n=10)和176H f/177Hf=0.282985±4(MSWD=0.48，2σ，n=10)。但是，GSR-1花岗岩可能因继承锆石而表现出同位素组成上的不均一，由此，它不适合用作Hf同位素标准物质。此外，GSR-1，GSR-2和GSR-3均适合用作Fe同位素分析的内部标准，它们的同位素推荐值δ57Fe分别为+0.35±0.02‰，+0.22±0.05‰，+0.43±0.02‰（相对于IRMM-014，2σ，n=3）。
　　(4)晚新生代腾冲火山岩Hf-Fe-(Sr-Nd-Pb)同位素示踪
　　中国西南部腾冲火山区分布着众多新生代镁铁质大陆板内火山岩，该区共有68座具有明显火山锥山体的火山，熔岩的分布面积约为800平方公里。结合前人已有的报道，我们对该区18个新鲜的火山岩样品进行了主、微量元素和Hf-Fe-Sr-Nd-Pb多种同位素的综合分析，旨在深入探究腾冲火山岩的源区特征以及岩浆演化过程。
　　研究表明，这批火山岩中大部分样品均经历过分离结晶-同化混染作用(AFC)。其中，一些混染较为明显的样品，表现出极异常的轻Fe同位素特征，推测代表了混染的大陆地壳特征。依据主、微量元素、AFC演化趋势以及Hf-Nd同位素特征等多方证据，我们识别出三个样品具有初始岩浆特征，可能直接来源于地幔源区，它们的Hf-Fe-Sr-Nd-Pb同位素组成(176Hf/177Hf=0.282962，δ56Fe=0.13‰,87Sr/86Sr=0.705861,143Nd/14Nd=0.512675,206Pb/204Pb=18.305,207Pb/204Pb=15.642，208Pb/204Pb=38.948)能够代表中国西南部腾冲地幔源区的特征。通过“熔融模拟”实验，我们认为腾冲火山的最佳成因模型可以表示为:受到过交代的地幔源区(由95-99％的原始亏损地幔(DMM)和1-5％的全球俯冲沉积物(GLOSS)构成）经历1-4％的部分熔融后形成腾冲原始岩浆。这些具有富集地幔特征的原始岩浆可能来自俯冲相关的交代岩石圈地幔。因此，腾冲火山岩的地幔源区与前人提出的富集地幔端员(如EM1，EM2)或DUPAUL地幔没有直接的联系，它们只是具有相似的同位素特征。此外该区缺少地幔柱存在的证据，我们推测腾冲火山作用是在“与印度次大陆反向应力有关”的伸展背景下，热的富集大陆岩石圈地幔被动上涌所触发的。由于受交代的富集地幔组分容易发生熔融，腾冲火山岩即是该区大陆岩石圈地幔富集组分减压熔融后的产物。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及选题依据

1．1．1 同位素地球化学分析

1．1．2 Hf同位素与源区示踪

1．1．3 Fe同位素与岩石成因示踪

1．1．4 Hf-Fe同位素联合分析的机遇和挑战

1．2 研究内容和论文工作量

1．2．1 研究内容

1．2．2 论文工作量

第二章 Hf、Fe同位素分析方法综述

2．1 Hf、Fe同位素发展历程

2．2 Hf、Fe化学分离方法研究进展

2．2．1 样品分解(前处理)

2．2．2 Hf化学分离方法进展

2．2．3 Fe化学分离方法进展

2．3 Hf、Fe同位素质谱测定

2．3．1 Neptune Plus MC．ICP-MS仪器简介

2．3．2 Hf、Fe同位素测试的影响因素

第三章 全岩Hf-Fe化学分离方法的建立

3．1 化学试剂和树脂柱的准备

3．1．1 化学试剂

3．1．2 树脂柱的准备

3．2 样品来源及预处理

3．2．1 样品来源

3．2．2 称样

3．2．3 溶样

3．3 Hf-Fe化学分离流程

3．3．1 第一阶段：Fe的分离

3．3．2 第二阶段：Hf的分离

3．4 Hf、Fe同位素MC-ICP-MS测定

3．5 化学分离实验操作要点

第四章 国家火成岩标准物质GSR-1，GSR-2，GSR-3的Hf-Fe同位素组成评估

4．1 引言

4．2 样品背景

4．2．1 样品来源

4．2．2 主-微量元素特征

4．2．3 同位素分析方法

4．3 Hf-Fe同位素组成评估

4．3．1 (Lu)-Hf同位素组成

4．3．2 Fe同位素组成

4．4 小结

第五章 中国西南部岩石圈地幔的微量元素和Hf-Fe-(Sr-Nd-Pb)同位素制约_晚新生代腾冲火山岩证据

5．1 引言

5．2 地质背景

5．2．1 区域地质和样品来源

5．2．2 腾冲火山区地幔源区存在的理论假说

5．3 样品处理和分析方法

5．3．1 全岩主、微量元素分析

5．3．2 Sr-Nd-Pb-Hf-Fe同位素分析

5．4 腾冲火山岩地球化学特征

5．4．1 主、微量元素组成

5．4．2 Hf-Fe-Sr-Nd-Pb同位素组成

5．5 讨论

5．5．1 同化混染-分离结晶作用

5．5．2 源区矿物组合和交代作用

5．5．3 熔融模拟和源区特征

5．5．4 中国西南部大陆岩石圈地幔(SCLM)同位素特征及其指示意义

5．5．5 腾冲火山区大地构造模型

5．6 小结

第六章 结语与展望

参考文献

附录

致谢

已发表或待发表论文及摘要