稀有气体在深部地质研究中的意义

幔源物质中的稀有气体蕴藏着丰富的地球深部过程信息。它们可对地幔结构、地幔脱气历史、大陆地幔不均一性、幔源岩浆演化和CO2天然气成因等研究提供独特的示踪作用。结合中国东部地幔捕虏体的资料,综述了稀有气体在这些方面的研究进展。研究表明,MORB源和OIB源玄武岩稀有气体组成差异强烈支持地幔双层结构的存在,地幔脱气过程主要受溶解度控制脱气模式(SCD)控制;同时,中国东部地幔存在不均一性可以在稀有气体方面得到印证;郯庐断裂可能为东部幔源无机CO2的脱出提供了良好的通道。     

地幔流体组成

地幔流体是当今地球科学研究中的前沿领域之一 ,具有重要的研究价值。文中总结了地幔流体组成研究的手段、实验方法及近年来的进展 ,探讨了目前存在的问题 ,认为当前需进一步工作的领域有 :(1)确定适宜于地幔流体组成测定的实验方法 ,以便进行全球数据对比 ;(2 )开展不同类型地幔源区中地幔流体稀有气体同位素体系与PbSrNdHfOs同位素体系的对比性研究 ;(3)对不同构造单元中的地幔流体进行研究 ,建立不同端员地幔源区的地幔流体组成和稳定同位素制约因素 ;(4 )研究壳幔相互作用过程中的地幔流体 ,确定地幔流体中再循环地壳组分的鉴别标志 ;(5)在全球范围内探讨地质历史时期地幔流体的组成、性质、运移及演化规律 ;(6 )开展幔源H2 及烃类的研究 ,为非生物成因天然气理论及勘探提供依据。     

天然气中的幔源稀有气体

天然气为地球内流体的重要组成部分，天然气中幔源稀有气体是源于地球深部的地幔挥发分。文章以气体地球化学国家重点实验室有关研究为主，简要综述了此一领域的研究。氦的同位素３Ｈｅ／４Ｈｅ是幔源物质的重要判识指标，天然气中３Ｈｅ／４Ｈｅ值大于１．４×１０－６时，表明有相当数量的幔源挥发分加入到天然气中，它是地球构造活动性强，地幔挥发分可以沿一定断裂体系进入沉积壳层的指示。在一定程度上氩同位素４０Ａｒ／３６Ａｒ及氖同位素２０Ｎｅ／２２Ｎｅ值也可指示构造环境的特征。天然气中稀有气体研究反映了我国东部含油气区具有最活跃的构造环境，中部最稳定，西部次稳定。在东部活跃的构造背景下，造成了幔源挥发分较普遍地加入到沉积壳层天然气中，形成了中国东部发现的世界首例壳－幔复合型氦资源，形成了一批与幔源挥发分成藏有关的二氧化碳资源。东部地区也成为幔源甲烷可能富集成藏的重要区域。     

山东地区新生代不同类型幔源样品中稀有气体同位素组成与成因

稀有气体是地球流体源区信息的有效示踪剂.利用热熔融法对山东地区幔源巨晶、包体全岩及其单矿物以及寄主玄武岩等幔源样品中稀有气体的测试表明,不同类型样品具有明显不同的稀有气体同位素组成,特别是He同位素比值差异明显.巨晶和包体单矿物中的n(3He)/ n(4He)值分别为0.87～11.31Ra、0.911 ～10.11Ra,均值分别为6.1Ra和3.73Ra,主体介于地幔一大气一地壳源区之间;包体全岩中n(3He)/ n(4He)值0.19 ～ 2.30Ra(均值为1.05 Ra),且均低于相应单矿物中该比值;而玄武岩中n(3He)/ n(4He)值全为10-8数量级,与地壳均值无异.各类幔源样品中n(4Ar)/n(36 Ar)值无明显差异,介于296.4～864.3,高于大气但远低于典型地幔值.所获有限数据中,不同类型样品中n(2Ne)/n(2Ne)值均高于大气,具幔源特征,其中包体全岩及其单矿物n(2Ne)／n(22Ne)值分别为10.19 ～12.42和10.55～11.80,无明显差异;玄武岩中该值介于11.07～13.10,总体高于包体全岩及其单矿物.上述比值特征的差异反映了不同类型幔源样品各自不同的成因和演化特征:巨晶和包体单矿物中的轻稀有气体同位素组成主要反映了由于古板块俯冲所导致的岩浆源区地幔一大气／地壳的昆合特征,个别样品中可能存在宇宙成因3He;除单矿物中所体现的源区混合特征外,包体全岩还存在放射成因4He;而玄武岩在喷出地表后丢失大量地幔稀有气体信息,其同位素组成主要体现了放射成因4He的影响.     

地幔流体参与铀成矿作用的研究进展——以粤北花岗岩型铀矿矿集区为例

地幔流体与铀成矿作用问题,首先关注的是地幔是否也是铀源,并且成矿流体是否具有幔源性质。研究结果表明,地幔流体参与了大型铀矿床的成矿作用,它可以是铀源,也可以是直接成矿的流体。发生地幔流体成矿作用的构造环境是拉张构造区和深大断裂区,因而其具有幔源岩浆发育、成矿物质幔源性、形成大型矿床或矿集区、特定的稳定同位素组成范围等特征。粤北铀矿集区具有相似的构造环境和成矿特征,笔者为此提出几点建议。     

幔源岩类中的稀有气体同位素与Sr、Nd、Pb同位素研究进展

对稀有气体同位素与Sr、Nd、Pb同位素的结合研究做了综述。两类示踪体系在研究幔源岩时的结合，可以得到互相印证的结果，互相补充不足，并有利于探索岩石成因，进一步认识地幔结构、地幔物质组成、运穆和壳幔之间的相互作用；地幔第五端员(FOZO/C/PHEM)的提出是二结合研究的重要成果之一。这种研究方法还有待于进一步补充、完善和发展。     

稀有气体同位素测试技术及其在矿床学研究中的应用

稀有气体包含He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn六种元素,由于其化学性质十分的稳定,一般不参与各种化学反应过程。其在地球不同圈层及地外物质中的丰度和同位素组成差别巨大,是地球科学研究的重要示踪剂。稀有气体同位素组成的测试方法主要有分阶段加热熔融、真空压碎、激光微区熔蚀等气体采集方式,获得的气体经多级纯化后在静态稀有气体同位素质谱中进行测试。在矿床学研究中,作为灵敏示踪剂的稀有气体同位素大多用于判别成矿物质、成矿流体的来源,特别是幔源物质的贡献大小及壳幔相互作用与成矿的关系,用于揭示矿床在成矿各阶段(期)中的物质和流体源区差异,用以追踪和揭示成矿流体的演化、反演成矿过程并在一定程度上指示成矿流体在成矿过程中的行为。稀有气体同位素为精细成矿作用研究、不同矿种成矿作用差异分析、探寻大规模成矿作用提供了重要的科研手段。     

辽宁宽甸新生代火山岩和地幔包体的稀有气体同位素组成及其演化意义

通过对宽甸新生代碱性玄武岩、地幔包体及辉石巨晶的稀有气体同位素组成的分析，认为不同岩性稀有气体含量的差异反映了岩浆作用过程中轻、重稀有气体的分馏特性，较轻的稀有气体(He、Ne)比较重的稀有气体(Kr、xe)具有更高的活动性和不相容性；该地区上地幔源区具有典型的MORB型源区特征，以辉石巨晶为代表；地幔包体的^3He／^4He值较低，可能是地幔流体交代作用造成的；大陆碱性玄武岩具有与大洋玄武岩截然不同的He同位素组成，反映了大陆区地幔岩浆上升过程中受到了陆壳物质混染。地幔源区^40Ar／^36Ar值为350左右，二辉橄榄岩和碱性火山岩的^40Ar／^36Ar值比大气略高，可能有大气组分的混合。部分样品中有^21Ne、^22Ne、^129Xe、^134Xe和^136Xe相对于大气的过剩现象，是核成因造成的。     

辽宁宽甸新生代火山岩和地幔包体He-Ar同位素组成

宽甸新生代碱性玄武岩、地幔包体及辉石巨晶的稀有气体同位素组成和流体含量分析表明，不同岩性稀有气体含量的差异反映了岩浆作用过程中轻、重稀有气体的分馏特性，较轻的稀有气体(He、Ne)比较重的稀有气体(Kr、Xe)具有更高的活动性和不相容性；该地区上地幔源区具有典型的MORB型源区特征，以辉石巨晶为代表；地幔包体的3^He／^4He值较低，可能与地幔上隆过程中富集地幔流体的交代作用或地幔塑性变形作用丢失了部分原始He有关；大陆碱性玄武岩具有与大洋玄武岩截然不同的He同位素组成，反映了大陆区地幔岩浆上升过程中受到了陆壳物质混染。地幔源区^40Ar／^36Ar值为350左右，二辉橄榄岩和碱性火山岩的^40Ar／^36Ar值比大气略高，可能有大气组分的混入。部分样品中有^21Ne、^22Ne、^129Xe、^134Xe和^136Xe相对于大气的过剩现象。     

四川牦牛坪轻稀土矿床地幔流体特征——铅锶钕和氦氩同位素及稀土元素证据

四川牦牛坪稀土矿床是中国第二大轻稀土矿床。笔者对该矿床进行了较系统的Pb—Sr—Nd同位素、稀有气体同位素地球化学以及稀土元素地球化学研究。稀土元素地球化学特征研究显示,矿区萤石、方解石、氟碳铈矿稀土元素分布模式与区内英碱正长岩相似,表明牦牛坪稀土矿床成矿与英碱正长岩岩浆活动有关以及石英包裹体流体REE曲线平直,Eu与Ce无明显异常,曲线规律性较强,可以认为牦牛坪轻稀土矿床成矿流体稀土元素是深源的。Pb—Sr—Nd同位素组成表明成矿物质来自富集地幔,具深源甚至幔源特征。稀有气体同位素地球化学研究也在一定程度上揭示了牦牛坪轻稀土矿化与地幔过程之间存在着成因关系。     

岩石圈气田与利用岩石吸附气预测矿产资源的可能性(英文)

抽提岩石(沉积物)中吸附气和吸收气的方法可用于预测矿藏,这是因为这些气体会逐渐聚集和保存在岩石中。来自地幔的流体会补充热解吸附流体,运移到地表的流体则产生岩石圈气田。产生于这种方式的背景气田可能会受到物理场和来自不同矿床流体的影响。矿床的物理场可能会改变背景气田的成分。     

天然气的混合类型及其判识

通过对天然气独特的物理、化学特征研究,探讨了不同成因来源天然气混合的机理和条件,将天然气混合划分为有机来源与无机来源的混合、有机质不同母质形成天然气的混合和不同成熟阶段有机成因气混合等三大类型。通过具体实例解剖研究了天然气混合的判识,初步建立了不同成因类型天然气的混合的模式。     

Noble gases in ultramafic xenoliths from San Carlos,Arizona

This work reports the results of noble gas (Ne, Ar, Kr, Xe) analyses of accidental mantle xenoliths from San Carlos, Arizona. Except for the addition of radiogenic ⁴⁰Ar and mass fractionation effects, the isotopic structures of these gases are indistinguishable from atmospheric composition. The absence of ¹²⁹Xe excesses in these rocks may reflect indirect mixing of atmospheric gases with the source region of the xenoliths. The dominant influence on the noble gas abundances in the San Carlos xenoliths appears to have been diffusive gas loss, which may have occurred in a mantle metamorphic event or during contact with the host basanite magma. Evidence is presented for the partitioning of significant amounts of the heavy noble gases into fluid inclusions in the xenolith minerals; the proportion of each gas in the inclusions increases with increasing atomic weight of the gas, possibly reflecting solubility effects. The noble gases are present in greater concentration in pyroxenes than in olivine, similar to the behavior of other incompatible elements.     

Upwelling of Mantle-derived Material in Southeast China: Evidence from Noble Gas Isotopes

Shallow groundwater collected in Chaozhou,Huizhou,and Guangzhou allowed testing of concentrations and the isotope ratios of noble gases.Based on the calculated noble gas temperature(NGT)and the ratio of noble gas isotopes,the recharge temperature,recharge source,and residence time of groundwater can be calculated.In addition,the contribution of noble gas components from different sources to the sample components can be assessed.In the Huizhou area,according to the 1/Xe vs.Ne/Xe and NGT data,the shallow sandstone-confined water samples in the Shiba area and the unconfined water samples of the Huangshadong are in different temperature ranges,indicating that they have different recharge sources,both in time or space.The He components in the samples are calculated to obtain the content of radiogenic ⁴He in the crust and to simulate the groundwater ages.The noble gas isotope ratios show the addition of mantle components into the basalt aquifers and sandstone aquifers in Chaozhou and Huizhou.Except for atmospheric and crustal sources,there is a certain proportion of mantle-derived components in the shallow underground cold water in Huizhou and Chaozhou.The noble gases in the Chaozhou groundwater have an obvious mantle signature,allowing speculation that there is a deep fluid carrying mantle characteristics.This upwelling of mantle-derived material might be caused by the India-Eurasia collision or that between the Philippine Sea Plate and the Eurasian Plate.     

Atmospheric and juvenile noble gases in the Skaergaard layered igneous intrusion

Gabbro and diorite from the Skaergaard layered igneous intrusion contain noble gases which are mixtures of atmospheric and juvenile components. Atmospheric noble gases predominate in samples that have undergone extensive oxygen isotope exchange with meteoric-hydrothermal water. The source of the atmospheric noble gas component is inferred to be the hydrothermal circulation system. A juvenile component with ${}^{40}\text{Ar}{}^{36}\text{Ar}\text{≥ 6100}$ and containing fission xenon is also present This component predominates in samples showing unaltered magmatic oxygen isotope compositions. Neon of atmospheric isotopic composition is associated with the juvenile radiogenic ⁴⁰Ar and fission xenon. The source of this second noble gas component may be either the crustal country rock or the upper mantle. If the neon is juvenile primordial neon from a mantle source region, terrestrial primordial ${}^{20}\text{Ne}{}^{22}\text{Ne}$ is the same as atmospheric to within 4%. However, subduction of atmospheric noble gases into the upper mantle may provide an alternate source of neon and other noble gases in the mantle.     

地球岩石中稀有气体研究进展

简要回顾了90年代以前在地球岩石稀有气体研究领域取得的成果,总结了90年代以来该领域的最新成就,最后指出了存在的问题。     

Helium and Argon Isotopic Composition of Cenozoic Alkali Basalts and Mantle-Derived Xenoliths from Kuandian, Liaoning Province, China

The noble gas isotopic composition and content data of 2 alkali basalts, 3 Iherzolite xenoliths and one clinopyroxene megacryst from the Kuandian region have confirmed the occurrence of a fractionation of noble gases during magmatism. Light noble gases such as He and Ne are high in mobility and appear to be incompatible as compared with heavy ones ( such as Kr and Xe). Therefore, light noble gases are abundant in volcanics, especially in the volcanics with bubbles; lherzolite xenoliths have relatively high heavy noble gases. The clinopyroxene megacryst has the lowest abundance of noble gases, probably due to its high P-T origin. Noble gas isotopic composition of the clinopyroxene megacryst reveals that the mantle source beneath the Kuandian area has an MORB-like reservoir with^3 He/^4He ratio of—10 Ra(Ra: atmospheric^3 He/^4He ratio) and^40 Ar/^36 Ar ratio of 345.6. The Iherzolite xenoliths possess moderate^3 He/^4He ratios of 2.59 -4.53 Ra, reflecting the loss of primary helium during rock deformation or metasomatism caused by enriched mantle fluids during the up-lifting. The alkali volcanics have very low^3 He/^4 He ratios(0.47—0.61 Ra),indicating a contribution of radiogenic^4 He, probably having resulted from crust contamination. Most of the samples have excess^21 Ne and^22 Ne as compared with atmospheric neon, but Kr and Xe isotopic compositions are indistinguishable from atmospheric values within uncertainties with only individual samples having excess^129Xe,^134Xeand^136 Xe.     

稀有气体同位素示踪成矿古流体研究进展

稀有气体(特别是He、Ar)是一种研究成矿古流体来源的灵敏示踪剂。地球不同圈层的稀有气体同位素具有不同的特征同位素比值。测试样品流体包裹体中的稀有气体同位素值,从测试值中排除掉包裹体形成后各种后生过程对流体初始同位素组成的影响。把得到的结果与前人研究总结的特征值进行比较分析,可以示踪成矿流体来源,从而探讨各种矿床的成矿机制与成矿作用。归纳了近年来用稀有气体同位素来示踪成矿流体的研究进展,概括了其在不同类型矿床中的应用现状,并指出当前该方法存在的问题及发展趋势。