热扩散产生的Li同位素分馏和岩浆演化对轴系不平衡的影响

摘要

为了更好地理解岩浆过程，我们需要弄清2个基本问题:物质如何运移和所需的时间尺度。因此本文从这2个基本问题出发进行了2个独立的科研项目。我们通过高温高压实验来揭示流纹岩熔体中Li同位素在温度梯度下的扩散性质。另一方面，我们通过数值模拟来解释观测到的铀系不平衡数据，进而为岩浆过程提供时间尺度上的制约。
　　在各种地质过程中，热扩散是导致元素分异，同位素分馏的一种可能的因素。前人进行了许多关于主要元素和同位素（Ca，Mg，Fe，Si，O，Sr，Hf, U，Li和K）的工作。然而，热扩散背后的机理目前仍存在争议。考虑到前人的工作都是在玄武岩和安山岩体系下进行的，本文旨在使用活塞圆筒压机研究流纹岩体系中的Li同位素在温度梯度下的分馏。Li同位素扩散速度较快，并且流纹岩粘度较高，所以预期Li同位素产生较大分馏时，主要元素不会有太大的变化。因此在使用CAMECA1280在进行Li同位素原位分析的时候，基质效应可以忽略不计。另外，我们进行了Li同位素热扩散的时间序列实验（3小时，12小时，1天，2天，4天），从而探究Li同位素在非平衡状态下的动力学特征。
　　基于背散射，电子探针和离子探针的原位分析，我们发现沿着温度梯度，主要元素确实没有太大的变化，而在经过4天的实验后，Li同位素在256℃/5.8mm的温度梯度下产生了大于8‰的分馏，并且Li同位素分馏的大小与实验时间有关。
　　尽管大多数岛弧岩浆岩经历了高度的岩浆演化，但是岩浆演化对铀系不平衡的的影响仍然不是很清楚。因此我们建立一个数学模型去模拟岛弧岩浆岩中和时间相关的岩浆演化过程对铀系不平衡的影响。在一个部分结晶的封闭体系，放射性衰变可以减少铀系不平衡的尺度，在开放体系中，老的地壳物质的同化作用也可以减少年轻岩浆岩中的初级铀系不平衡。随着来自更深的年轻岩浆岩的再次填充，即便滞留时间长于8000年，岩浆房也能维持大量过剩的226Ra。
　　我们使用这一模型来模拟已经充分研究过的大洋岛弧(例如:Tonga)和大陆俯冲带（智利）熔岩序列，并分别作为封闭和开放系统的代表。在Tonga案例中，(226Ra/230Zh)和Sr/Th或Ba/Th（在较小程度上）之间的正相关关系可以由斜长石和闪石的部分结晶以及226Ra同期的放射性衰变产生。在这一案例中，U/Th和(238U/230Th)没有显著变化。在智利的案例中，老地壳物质的同化作用可以用来解释(226Ra/230Th)和10Be/Be或(238U/230Th)之间的正相关关系，因为初始铀系不平衡以及高10Be/Be可以被老的地壳物质的同化作用而降低。
　　观察到的(226Ra/230Th)和地球化学指标（例如:Sr/Th，Ba/Th，和10Be/Be）的相关关系通常可以归因于来自于板块的流体的加入，但是考虑到自然界的地质过程，这些关系更可能反映了地壳中和时间相关的岩浆演化过程。由于这些微量元素比和铀系数据之间的关系不能用来明确地支持流体加入模型，所以之前有关于流体加入和岛弧岩浆岩的超快上升速率的结论被弱化了。正因为如此，这个模型可以用来协调由U-Th-Pa-Ra和10Be/Be系统显示的岛弧岩浆岩的时间尺度差异，多次流体加入的假设可能不是必要的。

目录

声明

摘要

第1章 热扩散绪论

1．1 热扩散的发现及早期发展

1．2 元素和同位素热扩散实验研究进展

1．3 热扩散理论研究进展

1．4 小结

第2章 热扩散实验

2．1 高温高压实验与活塞圆筒压机

2．2 实验设计

2．3 样品分析及实验结果

2．4 温度梯度的确定

2．5 小结

第3章 铀系不平衡

3．1 引言

3．2 时间相关的AFC模型方程

3．2．1 微量元素浓度

3．2．2 短半衰期铀系核素

第4章 模型性质

4．1 部分结晶和放射性衰变

4．2 同化作用，部分结晶和放射性衰变

4．3 同化作用、部分结晶和填充(AFCR)

第5章 汇聚边缘的铀系不平衡的应用

5．1 分配系数的选择

5．2 封闭系统：Tonga

5．3 同化作用和部分结晶(开放体系)

第6章 流体的加入对俯冲带岩浆岩中铀系数据产生的影响

第7章 结论

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