流体-岩石相互作用过程中氧同位素交换地球化学动力学评述

氧同位素研究对于示踪流体—岩石相互作用过程中流体的时间累积流量(或流体／岩石比)、流动方向和组成具有重要意义。基于质量平衡原理可以建立“封闭”体系和开放体系的氧同位素交换模型。“封闭”体系又可分为封闭、批式挥发和瑞利挥发体系。瑞利挥发较批式挥发造成岩石更大的^18O亏损，但在地质过程中两者差异并不显著。开放体系连续模型中氧同位素迁移的机制包括扩散称散和平流。由流体流动速率和扩散称散系数定义的Peclet数决定了上述两种机制在一定尺度上对氧同位素迁移的相对贡献。流体—岩石交换受表面动力学控制，当交换速率快于流体流动时，可认为流体和岩石达到了氧同位素分馆平衡，反之则没有达到平衡。由流体流动速率和流体—岩石反应速率常数定义的Damkoehler数决定了反应接近平衡的程度。如果采用多种矿物相监控，则矿物内部分馆可有效地区分这两种反应模型。对流体—岩石相互作用过程中氧同位素变化的地球化学动力学进行了系统评述，其原理和模型也可扩展到对其他元素的研究。     

月球物质的Re-Os同位素组成研究：对月球后期增生历史的指示

Re-Os同位素体系是理解月球强亲铁元素的分布规律和示踪月球的后期增生历史的重要手段。目前人们对月球物质Re-Os同位素成分的了解还是十分有限的,已有的Re-Os同位素数据显示一些能代表月幔成分特征的月海玄武岩具有很低的Re和Os的浓度,以及类似于球粒陨石的187Os／188Os成分特征,而月球火山玻璃和月壤等表现出相对高的Re-Os丰度和相对富放射成因Re-Os同位素成分。一般认为月球月幔的Re、0s和其他强亲铁元素相对球粒陨石是非常亏损的,而地球地幔则具有相对较高的强亲铁元素丰度（0．008倍CI球粒陨石的丰度）。新的Re-Os同位素结果证明月幔确实是亏损的,但是月球和地球在太阳系演化的较晚时期都有外来的球粒陨石物质的大量加入,即后期增生（late accretion）过程,导致了月球和地球上部物质（如月球火山玻璃、月壤等）相对地富集Os同位素和强亲铁元素,这些外来物质的后期增生可能是长期和持续的,增生过程主要发生在3．9～4．4Ga。但目前仍不清楚后期增生的陨石物质是被逐渐加入的,还是在一个相对较短的时期大量加入的,因此尚需对更多的月球物质做进一步的Re-Os同位素和强亲铁元素成分的研究。     

铬同位素在高温岩浆过程中的研究进展

铬(Cr)属于氧化还原敏感元素,在岩浆过程中是一种中度相容和轻度亲铁元素。Cr在硅酸盐地球中主要有三种价态:Cr²⁺、Cr³⁺和Cr⁶⁺。Cr存在于不同来源的矿物和岩石中,其氧化还原状态和同位素组成可以为其成因、氧化还原条件和相关成矿历史提供有价值的信息。近年来,铬同位素越来越多地应用到现代环境、古环境、行星的演化以及高温地质过程等领域中,而高温地质过程中储库的铬同位素及其分馏机理研究是其他工作的基础。尤其是随着质谱技术的发展,Cr同位素在高温环境中的分馏机制及行为也引起了更多的关注。本文主要介绍不同储库的Cr同位素组成及高温岩浆过程中Cr同位素研究的最新进展。     

胶东文登长山南花岗闪长岩体的岩浆混合成因：闪长质包体及寄主岩石的地球化学、Sr-Nd同位素和锆石Hf同位素证据

胶东昆嵛山杂岩文登长山南花岗闪长岩体中广泛分布具有火成结构的闪长质包体,这些包体主要为椭圆形或纺锤形,定向排列,大小不等(几cm至几m),颜色较寄主岩深,粒度较细。包体具有与寄主岩石相似的矿物组合,但铁镁质矿物及斜长石含量明显比寄主岩石高,而石英和钾长石含量低于寄主岩石;镜下包体具有明显的不平衡反应结构,广泛发育针状磷灰石。在地球化学特征上,包体和寄主岩石部富集大离子亲石元素和轻稀土元素,亏损高场强元素,并具有相近的Sr、Nd同位素组成,ISr为0．70784-0．70818,εNd为-15．0--15．5。然而,包体和寄主岩石的主量元素在相关图上呈明显的线性关系, 并且岩石学和锆石Hf同位素特征也明显表明文登长山南岩体在成岩过程中发生了镁铁质岩浆和长英质岩浆的混合作用。在岩浆混合作用过程中,全岩Sr、Nd同位素和晚期生成的矿物组成比较快速地达到了均一化,而主量元素和高温矿物锆石Hf同位素组成则残留了原始岩浆的部分特征。研究表明,锆石Hf同位素在岩浆混合作用过程中不容易达到同位素平衡,其同位素组成比全岩Sr、Nd同位素更能有效地示踪混合岩浆的源区特征和岩浆混合过程。     

重要的地球化学"信息库"

金红石是各种岩石特别是地壳组成岩石中重要的副矿物,它在成岩、风化和各种不同程度的变质过程中均能保持极大的稳定性。同时,除主要成分TiO₂外,金红石还含有为数众多的其它微量元素(例如: Nb, Ta, Zr, Hf, Sn, Mo, Sb, Cr, V, W, U和Pb等),这些微量元素的变化特征,对于包含金红石的主体岩石所经历的地质过程具有非常重要的指示意义。近二十年特别是近十年来,金红石已成为地球化学研究领域的一个热点。对各种元素和同位素在金红石中变化特征的调查,被广泛地应用于对各种地质过程的了解,其研究应用的范围涉及到了整体地球的元素平衡、大陆地壳的形成机制、含金红石岩石的形成源区、变质岩石的温压条件和形成时代的研究等多个方面,同时其所包含的各种同位素体系也被广泛用于各种地质过程的示踪。本文综合近年来金红石研究的最新进展,系统表述了金红石作为一个近年来发展起来的重要地质信息储库,在地球化学研究中各个方面的应用。     

月球起源研究进展

月球是地球唯一的天然卫星,早期学者认为地月系统是普遍存在的行星一卫星系统的一员,但是月球又有许多特征,如质量异常大,挥发分和Fe元素亏损等,传统理论难以解释这些特征.因此,针对月球的起源提出了四种学说:捕获理论,共增生理论,分裂理论和大碰撞假说.目前对大碰撞假说研究较多,但研究者们始终无法较好解释地月系统氧同位素的高度一致等特征.本文试探性提出新的月球起源分裂模型,能较好的解释某些月球特征,引起研究者们对月球起源新的思考.     

Sm-Nd同位素体系在月球早期演化中的研究进展北大核心CSCD

月球的形成时间和演化历史对太阳系类地行星的演化有重要意义。Sm-Nd同位素体系因其独特的元素和同位素地球化学性质,为月球早期岩浆洋的结晶分异过程提供了强有力的制约。本文综述了^(147)Sm-^(143)Nd和^(146)Sm-^(142)Nd同位素体系的应用原理,以及目前对月球亚铁斜长岩、镁质岩套、碱质岩套、克里普岩和月海玄武岩Sm-Nd同位素体系的相关研究。最新的研究结果表明,全月球(或近乎全月球)范围在约4.35 Ga经历了Sm-Nd同位素体系的平衡,但对这一平衡事件的解释仍存在争议,主要有3种观点:①原始月球岩浆洋在4.35 Ga形成并快速结晶分异;②月球经历了较长时间的冷凝结晶,4.35 Ga为这一过程的结束时间;③月球在4.35 Ga发生某种全球性事件,造成Sm-Nd同位素体系平衡重置。另外,通过月球样品测得的固体硅酸盐月球(BSM)的ε^(142)Nd值变化范围较大(−0.19~−0.01),因此,月球的初始组成为球粒陨石组成(ε^(142)Nd=−0.19)的传统观点也有待进一步证实。目前为止,月球的形成和演化过程仍不明晰,而Sm-Nd同位素体系是月球形成和演化过程研究最重要的工具之一。     

金属稳定同位素示踪俯冲带挥发分循环SCIEI北大核心CSCD

俯冲带挥发分的循环不仅深刻影响着地球各圈层之间的相互作用,而且在成矿金属元素迁移-富集以及全球气候变化等重要地质和环境过程中扮演着重要的角色。近年来,金属稳定同位素示踪俯冲带挥发分循环受到了广泛关注,取得了众多进展,但大多针对单个挥发性元素开展某个特定金属同位素的示踪研究。本文根据不同金属元素的地球化学性质差异及其与多种挥发分之间的结合形式,系统归纳了金属稳定同位素在示踪俯冲带不同挥发分循环方面的特点。整体上讲,镁和锌同位素体系示踪俯冲带碳循环最为有效;锂、镁、钾、钡、钼等金属同位素体系在示踪俯冲带水(流体)循环方面则具有各自的特点;锌同位素在示踪俯冲带硫循环方面有巨大潜力;铬同位素示踪俯冲带氯循环有独特优势;铁、铬、铜等变价金属同位素体系对挥发分的氧化还原状态较为敏感,有望示踪俯冲带氧循环。这些同位素体系对理解俯冲带挥发分循环提供了全新的视角,有望成为未来地球系统科学的重要研究方向。     

铁陨石中宇宙成因Cr同位素的校正

<正>53Mn-53Cr短半衰期同位素体系可以为太阳系形成初始几百万年的演化历史提供高精度的同位素年代信息。与其他短半衰期同位素定年体系相比,53Mn-53Cr体系具有独特的优势:如Mn和Cr具有不同的半凝固温度,因而适用于挥发相关过程的年代学研究;大多数太阳系物质的Mn和Cr的丰度较高,这便于样品的化学流程提纯。这些特征使得53Mn-53Cr同位素定年体系受到广泛的关注[1-3]。然而,宇宙样品会受到     

扩散作用与同位素地质温度计

大量的氧同位素地质温度测定结果表明,月球玄武岩和地球玄武岩的氧同位素平衡温度通常接近于用其他方法测定的固结温度。例如,阿波罗12,12021号样品的氧同位素平衡温度为1061℃,用其他测温方法获得的固结温度为1070℃(Biggar,1971)和1050℃(Green,1971)。六个夏威夷玄武岩样品的氧同位素平衡温度为1050℃,光学高     

板块俯冲过程中的Mg-Li-Fe-Cr同位素分馏

金属稳定同位素体系是示踪板块俯冲对壳幔物质再循环影响的全新工具,因此其在俯冲带的地球化学行为备受关注.Mg同位素在俯冲过程中不发生显著分馏,但大陆玄武岩具有低于洋中脊玄武岩的Mg同位素,这可能是碳酸岩的俯冲再循环导致的.与角闪岩继承原岩的Li同位素组成不同,榴辉岩具有轻于原岩的Li同位素组成,可归因于俯冲折返过程中的动力学扩散、脱水反应或低Li同位素的流体交代.作为变价元素,Fe和Cr的同位素在榴辉岩的形成过程中均不发生显著分馏,但是蛇纹岩的Fe同位素和Cr同位素与氧逸度指标具有相关性,指示氧化还原条件变化时脱水过程或流体交代会导致同位素分馏.      

黄河、淮河及长江流域地表水环境中锶的地球化学特征

锶是自然界广泛分布的微量元素,在生物、化学及地质过程中不易发生分馏作用,具有很好的地球化学指示意义.尤其在水文地球化学研究中,由于不同岩石锶含量不同,大气降水降落在地面后流经不同岩石,致使地表水中锶元素浓度和同位素比值不同.因此,通过研究河水中锶元素的地球化学行为,可以帮助我们探究河流集水处矿物化学风化速率、气候变化、上地壳化学特征、同位素组成以及陆地-河流-海洋之间的营养元素循环等等[1,2].     

氯同位素地球化学研究进展

作为最具代表性的、地球丰度最高的卤素,氯元素因其独特的性质和各大储库中的可观分布而受到重视。氯元素具有显著的亲硫性和挥发性(不相容性),这些性质也影响着其地球化学行为以及在地球中的分布。氯含有两种稳定同位素,分别是³⁵Cl和³⁷Cl,同位素丰度分别为75.76%和24.24%,Cl同位素组成也常以δ³⁷Cl值报道;目前对Cl同位素进行分析的最为传统也是最主要的方法是IRMS(同位素比值质谱法),尽管存在分析速度慢、对样品质量要求大等缺陷,但因其相对更高的精度而被广泛应用于现代氯稳定同位素研究。其他常见的分析方法还有TIMS,SIMS,LA-ICP-MS,在Cl同位素研究领域尚在实验探索阶段。Cl同位素标准在目前也已有广泛接受的统一国际标准,即Kaufmann所提出的平均海洋Cl同位素标准(SMOC),海水Cl同位素组成在长久演化中已经相对稳定,取样也简单方便,在实验室分析中也能产生优良的再现性。氯在地球上的储库可在宏观上分为地幔、陆壳与洋壳、海洋。地幔以其较大的体量无疑是氯元素主要储库之一,但受限于现有观测技术,各研究通过各种方法观测到的氯含量有较大出入;关于地幔的Cl同位素分布也并不明确,各种如俯冲带流体输入等深部过程都可能是同位素异质性的原因,许多研究观测到的地幔流体的Cl同位素有正也有负。陆壳可下分为沉积物及其孔隙水、蒸发岩和硅质岩石圈,氯因其亲水性和化学沉积性质则主要集中于沉积物孔隙水和蒸发岩中,而硅质岩石圈中的氯则相对较少;沉积物孔隙水常被观测到极低的δ³⁷Cl值,扩散和离子淋滤都是对其可能的解释,但对其完全做出解释的机理还有待继续研究;蒸发岩中的δ³⁷Cl值常因其氯盐种类而有所不同,也已有诸多实验给出制约;硅质岩石圈虽含氯较少,但出露于地表的岩株或岩脉中观测到的磷灰石中的Cl同位素有明显的随岩性变化的规律性,对于热液交代历史与热液成分都有很好的限制作用。洋壳中的氯也主要分布在洋壳沉积物及其孔隙水、蒸发岩,以及蚀变洋壳(以角闪石、蛇纹石等蚀变矿物为代表)中。蚀变矿物常被观察到较高的δ³⁷Cl值,一些研究认为可能和与氯结合的金属阳离子氧化状态有关,该高δ³⁷Cl值也常被用来解释俯冲板片输入地幔流体的高δ³⁷Cl值。海洋也是巨大的氯元素储库,其同位素组成稳定性也已经得到证明。除以上储库以外,Cl同位素还应用于对陨石、月球和大气圈的研究。Cl同位素的分馏机制也同其他许多同位素一样可大体分为平衡分馏和动力学分馏,平衡分馏主要包括由与氯结合的金属阳离子的价态高低或氯自身价态的高低决定的分馏,动力学分馏则包括扩散和离子淋滤以及与地球岩浆去气、月球岩浆去气有关的动力学分馏。总体而言,氯元素及与其结合的金属离子的氧化状态、轻重同位素逃逸倾向、扩散系数的差异是决定分馏行为的两种机理。从氯的两种稳定同位素自大约100年前被发现起到现在,与氯稳定同位素相关的地球化学方法已经在各地质学科分支中得到广泛应用。从利用Cl同位素解释地层水来源的水文地质、示踪污染物来源的环境地质,到利用Cl同位素证据支撑矿床形成机制研究的矿床学以及参与解释地球演化过程的行星地质等领域,都有Cl同位素应用研究的尝试与探索。但受限于对实际地质过程的认知,仍然具有许多前沿问题阻碍Cl同位素研究的进展,如太阳系早期过程如何决定了地球现今的氯元素含量、地球中的挥发分经历了怎样的演化过程才达到至今状态、现今地球挥发分的循环过程又具体如何、俯冲过程中氯在俯冲带与地幔之间的流通过程具体如何等。     

地球化学的初心和使命

1地球化学研究现状 国际地球化学研究的主要方向集中在地球不同储库之间的元素和同位素丰度分布、元素配分系数和同位素分馏系数及其扩散系数等热力学和动力学参数、元素和同位素分析测试技术的研发等.像这样的基础地球化学学科专业,中国虽然有众多的研究人员,但是高质量的研究相对国际上来说还是偏少.大量的研究集中在地球化学应用,从岩石...     

吉林蛟河地幔橄榄岩捕虏体的Sr-Nd-Hf-Os同位素特征与岩石圈地幔时代

吉林省蛟河市境内大石河新生代玄武岩中含有丰富的地幔橄榄岩包体,详细的岩石学与矿物学研究显示,这些包体的主要岩石类型为尖晶石二辉橄榄岩-方辉橄榄岩,未发现石榴石橄榄岩。岩相学及地球化学资料显示它们都是经历过熔体抽取而形成的岩石圈地幔残留。矿物平衡温度计算发现,本区的这些地幔橄榄岩包体来自地下40～60km 深度,且下部以二辉橄榄岩为主,而上部以贫单斜辉石的二辉橄榄岩和方辉橄榄岩为主,显示明显的岩石圈地幔分层现象。Sr-Nd-Hf 同位素资料反映这些地幔包体均表现为亏损性质,而 Re-Os 同位素资料确定上述岩石圈地幔形成于中元古代,明显老于上覆地壳的新元古宙时代,反映壳幔年龄上的解耦。因此我们推测,该区曾经历过华北克拉通类似的早期岩石圈地幔的整体丢失事件,然后形成于其它地区的中元古宙岩石圈地幔在本区增生。     

锌同位素在行星科学中的研究进展

近年来有关太阳系天体中等挥发性元素的研究掀起了一波浪潮。锌作为中等挥发性元素,其稳定同位素对于高温挥发过程具有很好的指示作用。因此,在行星科学领域锌同位素逐渐成为研究星云和行星演化的一个理想工具。本文系统地归纳了各类陨石和行星天体储库的锌同位素组成,并对不同种类的陨石以及地外样品(碳质球粒陨石、普通球粒陨石、顽火辉石球粒陨石、橄辉无球粒陨石、铁陨石、石铁陨石、月球陨石和Apollo样品、火星陨石、灶神星陨石等)中的锌稳定同位素研究内容进行了较全面的总结。主要包括不同陨石和行星锌同位素组成的控制因素以及锌同位素对太阳系内星云过程和行星过程的指示;同时,简要论述了锌同位素在太阳系形成和演化过程中的分馏机制,并立足目前的研究基础,探讨锌同位素在行星科学领域的研究前景和发展趋势。     

钾、钙同位素体系定年和示踪的研究进展

阐述了 K- Ca同位素体系的分离和测定方法 ,以及对海洋火成岩、大陆和月球花岗岩、碳酸盐岩、化学和碎屑沉积矿物的定年和 εCa示踪的研究结果。对比常用的微量元素构成的定年和示踪体系 ,如 Rb- Sr、Sm- Nd、U- Pb,由主量元素 K和 Ca组成的同位素体系 ,有其特殊的地球化学行为 ,以至在岩石成因、物质来源、板块碰撞、壳幔作用、岩体折返等重要的化学地球动力学过程研究中 ,赋以新的信息和启示。随着测试技术的不断提高 ,K- Ca同位素体系可在探索相关的地质和环境科学的课题中 ,发挥积极的推动作用。     

热力学计算模拟对月球镁质岩套源区的约束

镁质岩套是月球上最重要的岩石之一.通常认为该类岩石的母岩浆来自月幔翻转引起的深部物质的减压熔融或者月壳底部的混合杂化.但是,这两类模型分别面对无法重现样品中橄榄石的Cr203含量过低等地球化学特征,也无法解释镁质岩套与其他月球样品年龄重合的问题.本文采用热力学计算方法,通过改变源区物质组成、熔融程度、熔融方式及结晶方式等参数,对两种模型进行了一系列的正演研究.结果 表明,月球的镁质岩套有多种成因:月幔物质减压熔融形成的熔体通过平衡结晶可以形成镁质岩套,并满足样品中橄榄石Cr2O3含量的制约;减压熔融模型可以解释某些月球样品年龄的重合,但是成分较为单一,而混合杂化模型形成的镁质岩套成分范围较广.     

岩石化学

地质辞典给出的岩石化学的定义是:岩石化学成分的研究,属于地球化学的一个分支,但不包括石油化学(Bates and Jackson,1980)。一般认为,地球化学是研究元素和同位素在地球和天体各部分的化学组成及迁移的物理和化学作用。而岩石化学研究的对象则是氧化物,通常是组成岩石的下述11种主要氧化物:SiO_2、TiO_2、Al_2O_3、Fe_2O_3、FeO、MnO、MgO、CaO、Na_2O、K_2O和P_2O_5等。其中,Ti和K作为微量元素,也是地球化学研究的重要对象。     

氧化还原敏感元素(Se,Cr,Mo)稳定同位素

由于同位素分析方法的改进及表面热离子质谱(TIMS)和多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)的应用,近年来氧化还原敏感元素(Se、Cr、Mo)同位素地球化学得以快速发展,成为国际地学领域的一个前沿。Se同位素在自然界中的变化最大,δ82/76SeNIST为-12.77‰～3.04‰;Cr和Mo同位素变化较小,δ53/52CrNIST值为-0.07‰～0.37‰,δ97/95MoJMC值为-0.27‰～2.65‰。自然界中各种无机过程(氧化还原)和生物有机过程均能使Se、Cr、Mo产生同位素分馏。因此,这些氧化还原敏感元素同位素可以示踪环境污染源、矿床流体来源;解释古海洋与现代海洋中元素的自身循环,从而示踪古氧化还原环境的演化;解释地外撞击事件及宇宙行星演化;甚至在生物学等领域研究中取得了显著成效。虽然还存在一些问题但它们将可能成为地球科学中有巨大应用前景的一种新兴的地球化学工具。