Pb-Sr-Nd同位素体系在石油地球化学中的应用

介绍了90年代以来Pb-Sr-Nd同位素石油地球化学中的最新应用情况,由于它们在石油物源的判别及年龄测定方面的优势,正越来越引起各国科学家及产业部门的高度重视。     

全球溢流玄武岩同位素体系

全球大陆与大洋溢流玄武岩在地球化学上表现为从岛弧至板内构造环境。在同位素体系上表现为复杂的端元组分混合，不是亏损软流圈上地幔与岩石圈的相互作用（Anderson模式）完全能解释的。以往揭示的地幔“端元”(EM1、EM2、HIMU等）实际上只与溢流玄武岩才有密切的联系，而与一般的OIB没有关系。如果溢流玄武岩与地幔柱相联系，在同位素体系上必须要有大量原始-略亏损下地幔岩浆组分加人（Morgan模式）的证据。然而全球极大部分溢流玄武岩省并不能提供这一方面的证据，而东区峨眉山玄武岩恰恰提供了这一方面的重要证据。 (1)溢流玄武岩中许多拉斑质岩石相似于岛弧玄武岩，具有Nb-Ta负异常，同位素体系上表现出亏损上地幔与俯冲沉积物的混合，具有强的Nd-Sr同位素二元混合特征；如Columbia [εNd (t)变化在+7~-17.7], Pamna [εNd (t)变化在+3.4~-9.8], Karoo[εNd (t）变化在+8~-11]、Siberia [εNd (t）变化在+4~-10］和西区峨眉山玄武岩[εNd (t）变化在+6.8~-4.81。大陆溢流玄武岩常产于大陆边缘环境，并有时代上相近的早期MORB-IAB火山作用相伴随，如峨眉山溢流玄武岩的周边存在早二叠的MORB-IAB火山岩。 (2)与地幔柱头加热引起的岩石圈减压熔融有关的岩浆作用，其同位素体系虽具有壳幔混合特征，但不具有明显的二元混合关系，同时常具有多端元混合和明显的下地壳组分加入，存在Nd-Sr同位素相关落在下地壳范围的数据；具有低206Pb/204Pb(< 17)、低87Sr/86Sr(< 0.7045)的麻粒岩相下地壳特征的玄武岩；εNd (t)值与岩石的Mg＃呈反相关。如Deccan、North Atlantic、Columbia、Siberia、Parana、Keweenaw和峨眉山玄武岩省等。 (3)地球物理资料表明上、下地幔之间存在刚性层，由存留的榴辉岩相俯冲板片和来原始下地幔的分异产物构成。EMl、EM2与HIMU的同位素信息与过渡带有着密切的联系。规模最大的Ontong Java、Manihiki与Kerguelen等大洋溢流玄武岩省和东区峨眉山玄武岩省具有这一方面的典型特征。过渡带成分的加人对由MORB-OIB产生的DUPAL异常分区（太平洋省与印度洋-特提斯省）将产生扰动，如Ontong Java-Manihik分布的中西太平洋地区。 (4)由于俯冲蚀变洋壳对Sr同位素体系扰动很大，而Pb同位素的原始地幔值不很明确，因此Nd同位素体系具有重要指示意义。极大部分的溢流玄武岩省的地慢端元均表现为εNd (t)近于+8的强亏损地幔，因此应是来自上地幔软流圈的岩浆。以原始-略亏损地幔为端元的溢流玄武岩省只有Parana、Keweenaw和东区峨眉山玄武岩。特别是东区峨眉山玄武岩省在102°E至107°E约20×104 km2范围内，从苦橄岩、高镁玄武岩到钒钦层状岩体，从拉斑至安山质的低钦与高钦玄武岩系列（Mg＃变化在82~32）的大量数据表明具有十分稳定的原始-略亏损地幔εNd (t)值（0~+3), Pb同位素组成吻合于NHRL。苦橄岩与高镁玄武岩则具有平坦的REE和HFSE蜘网图。因此东区峨眉山玄武岩岩浆具有大量原始-略亏损下地幔组分的加入，为地幔柱的存在提供了重要证据。     

济南和邹平辉长岩的Pb-Sr-Nd同位素特征和岩浆源区中下地壳物质贡献

对鲁西晚中生代济南和邹平辉长岩的Pb-Sr-Nd同位素和元素组成的研究,给出(87Sr/86Sr)i=0.7041~0.7056,εNd(t )=-6.0~-13.0,( 206Pb/204Pb)i=16.545~16.998,(207Pb/204Pb)i=15.242~15.350,(208Pb/204Pb)i=36.488~36.944（除SD792表现出高放射成因Pb外）。由于辉长岩的堆晶性质,其微量元素组成不能用于指示其物质来源。与EMⅠ型大洋和大陆玄武岩对比,表明济南和邹平辉长岩的源区具有与EMⅠ地幔端元一致的同位素特征,但在Pb同位素图解上有明显的下地壳物质的贡献。下地壳物质的参与可能与拆沉有关。     

川西喜马拉雅期碰撞造山带岩浆碳酸岩的地幔源区特征——Pb-Sr-Nd同位素证据

对形成于大陆碰撞带内的川西碳酸岩进行了详细的Pb-Sr-Nd同位素分析.结果表明,川西碳酸岩具有非常负的εNd值（-3.2～-18.7）和高的（^87Sr/^86Sr）i值（0.706020～0.707923）,以及较宽的^207Pb/^204Pb值（15.362～15.679）和^208Pb/^204Pb值（38.083～39.202）的特征,明显不同于世界上由非造山作用形成的碳酸岩.它们的Sr-Nd、Pb-Pb、Sr-Pb和Nd-Pb同位素特征表明大多数碳酸岩来源于EM Ⅰ与EMⅡ之间的一种混合地幔,与元古宙不同质量比的深海/陆源沉积物和下覆的似MORB由俯冲作用引起的洋壳的再循环有关,而少数碳酸岩则受到地壳物质混染的结果.此外,通过动力学背景分析可以得出,富集地幔EM Ⅰ与EMⅡ之间的熔融产生了川西碳酸岩以及同时代的富钾岩浆岩,这种熔融可能是由于印度大陆板片与扬子大陆板片俯冲引起的新生代软流圈物质的上涌产生的,并发生于青藏高原东缘始新世-渐新世分界线的从转换压扭变形向转换张扭变形的转变过渡的构造背景下.     

中国东部幔源气体同位素地球化学

中国东部地幔岩包体及其单矿物中发育有大量的流体包裹体，采用阶段加热真空热爆的 方法脱出幔源包裹体中的气体，测试了气体的碳、氧、氦、氮等同位素组成。ＣＯ２的σ１３℃普遍较低， 主峰值为（－１８～－２２）×１０－3 ，多数样品在高温下的 σ１３℃普遍小于低温下的对应值。氧同位素变 化也很大，从－３．４×１０－３至２５．５×１０－３（ＳＭＯＷ），并呈现多峰的特征。σ１８Ｏ与σ１Ｃ３具有很好的相 关性，可能受控于同种分馏机制。Ｃ、Ｏ同位素组成特征表明，中国东部大陆地幔具有很大的化学不 均一性，可能是由地幔碳的多样性、源区的不均一性或地幔交代作用所致。氧同位素的变化可能是 结晶作用、去气作用或地壳物质混染所至。４Ｈｅ含量变化范围为（０．２４～２５．００）×１０－８，３Ｈｅ／４Ｈｅ变 化范围为（０．４６～１２．８０）×１０－６，４０Ａｒ含量从０．９７×１０－６到３４．１８×１０－６，４０Ａｒ／３６Ａｒ变化范围为 ２５０．５８～１２０２。３Ｈｅ／４Ｈｅ的变化反映了亏损地幔和富集地幔的存在。不同地区４０Ａｒ／３６Ａｒ的巨大差 异显示了地幔脱气程度的不同，也说明在地幔演化中Ａｒ、Ｈｅ同位素地球化学行为的差异。     

地球核幔相互作用的W同位素研究进展

地球核幔相互作用的研究难点在于无法获得实际样品。洋岛玄武岩和溢流玄武岩被认为是地幔柱减压熔融的产物,携带了核幔边界的物质信息,可作为研究地球核幔相互作用的样品。¹⁸²Hf-¹⁸²W同位素体系的特殊化学性质,使W同位素成为研究核幔相互作用的重要工具。本文介绍了W同位素示踪的基本原理,并回顾了核幔相互作用的W同位素研究进展。目前已发表的数据表明,全球洋岛玄武岩具有W元素丰度富集(67×10^-9~855×10^-9)、¹⁸²W同位素亏损(μ¹⁸²W=-0.1~-16.1)的特征,由此推断洋岛玄武岩可能来源于核幔平衡源区。Baffin Bay和Ontong Java Plateau溢流玄武岩则具有¹⁸²W富集(μ¹⁸²W=23.4)的特征,可能来源于早期地幔源区。洋岛玄武岩和溢流玄武岩的μ¹⁸²W差异可能是由地幔柱头尾异质性引起。此外,引起μ¹⁸²W异常的其他原因可能有：原始地幔源区的隔离保存、后增生薄层物质的部分混入和低效的核幔分异作用等。目前,W同位素的核幔交换机制仍不清楚。

     

赣南中侏罗世玄武岩的Pb-Nd-Sr同位素地球化学研究：中生代地幔源区特征及构造意义

赣南龙南—寻邬地区余田群菖蒲组底部的玄武岩形成于中侏罗世(172．6～175．6Ma)，其Pb，Nd，Sr同位素组成的特征为：富放射性成因铅((^206Ph／^206Ph)i=17．872～18．653，(^207Pb／^204Pb)i=15．434～16．131，(^208pb／^204pb)i=37．837～39．194)，中等的εNd(t)(-0．4～+1．1，平均值为0．1)及较高的ISr(0．70835～0．71115)。玄武岩在Ph-Ph图解上均投影于NHRL上方，A7／4Pb值为0．19—61．7(平均值为22．1)，AS／4Pb值为59．2～101．5(平均值为71．03)，△Sr值为80．0～111．5(平均值为91．5)，表明存在典型的Dupal同位素异常。根据Sr-Nd，Sr-Ph，Nd-Pb和Pb-Pb相关特征，判明赣南玄武岩是由亏损地幔端元(DMM)和EMⅡ型富集地幔端元在源区混合形成的。按Sr-Nd双变量二元混合模型计算得出源区物质中亏损地幔端元和EMⅡ富集地幔端元所占份额分别为58％～64％和42％～36％。赣南地区呈东西向展布的中侏罗世双峰式火山岩带反映了华南板块内部在燕山早期发生的一起重要伸展构造事件。根据Ph-Nd-Sr同位素地球化学及构造特征，推测赣南中生代地幔源区中的EMⅡ富集地幔端元组分可能源自冈瓦纳古陆。     

南海北部新生代火山岩微量元素与同位素体系特征研究

南海北部新生代火山岩由早期的钙碱性双峰式向晚期的碱性玄武岩和拉斑玄武岩演化，微量元素与同位素体系特征研究表明这种趋势与该地区边缘海的扩张过程相对应，在拉伸作用早期，岩浆来源于富集型岩石圈地幔，而在晚期则来源于亏损的软流圈地幔。     

塔里木盆地北部沥青、干酪根Pb-Sr-Nd同位素体系及成因演化

Pb、Sr、Nd同位素体系研究表明沥青与寒武纪、奥陶纪地层中的干酪根具有明显的同位素组成差异,表明来自异源。沥青Pb同位素组成具有明显的幔源与壳幔混合特征,而干酪根显示出壳源特征。沥青与干酪根的Nd同位素组成也存在着明显的差别,反映出老地壳源与新地壳源的明显差别。来自柯坪隆起大湾沟沥青的Nd-Sr同位素体系给出了晚元古的相关等时线,年龄分别为872Ma与1195Ma,可能代表了沥青的最早形成年龄。但来自塔北隆起的沥青其Sm-Nd体系显示出介于大湾沟沥青与干酪根之间的混合相关,表明具有壳源与幔源的二元混合成因。Rb-Sr和Pb-Pb等时线趋向和Pb模式年龄还给出加里东期(～440Ma)和印支期(～250Ma)的原油运移与沥青沉淀年龄信息。Nd模式年龄还表明柯坪-阿克苏地区存在太古宙基底(3.2-2.5Ga).塔里木油藏受深断裂控制。     

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。     

浅谈对湘南地幔柱构造的认识及其地质意义

近30年来,对地幔柱的研究和探索取得了重要进展,对地幔柱在成矿学方面的应用也有了较深入的研究。湘南地区存在有地幔柱二、三次演化阶段的地质记录,即以宁远-道县为中心的二次柱和以骑田岭为中心的三次柱,通过对它们的认识和研究,有助于在找矿思路方面获取一些新的启示。     

拉萨地块西段中新世赛利普超钾质火山岩富集地幔源区和岩石成因:Li同位素制约

作为一种“非传统稳定同位素”,锂同位素地球化学研究已经成为近年来国际上研究的热点之一.文章成功应用锂同位素对青藏高原西南部赛利普超钾质火山岩进行了示范研究.研究表明,赛利普超钾质火出岩的w(Li)为11.2×10-6～22.9× 10-6,同位素组成δ7Li为1.2‰～+3.5‰,平均值为0 2‰,与平均上地壳的相当.超钾质火山岩的锂同位素组成与岩浆结晶分异程度参数之间不存在任何相关性,这表明在超钾质火山岩结晶分异过程中没有发生明显的锂同位素分馏,锂同位素组成特征反映了其形成时的源区特征.超钾质火山岩的锂同位素组成变化范围达4.7‰,并且与pb-Sr-Nd同位素和岩浆结晶分异参数之间亦无任何相关性,表明锂同位素异常可能反映了不均匀源区岩石特征.通过计算模拟以及与前人的类似研究成果进行对比,笔者认为俯冲印度地壳而不是特提斯洋壳(包括沉积物)的流体/熔体参与了超钾质火山岩的源区富集,并在此基础上提出了超钾质火山岩成因模式.     

地幔柱稀有气体同位素示踪研究的进展及其意义

利用地幔柱、上地幔和地壳在稀有气体同位素组成方面的明显差异,国际上在对地幔柱进行示踪和判识方面已取得了良好的效果。地幔柱的3He/4He值大于8～8.5Ra(Ra=1.4×10-6),且高于上地幔和地壳值;地幔柱的20Ne/22Ne值大于等于10.8,与上地幔值接近,但地幔柱的21Ne/22Ne值低于上地幔值;地幔柱的40Ar/36Ar值一般明显低于上地幔值;地幔柱的129Xe/130Xe和136Xe/130Xe值普遍高于上地幔和地壳值,且高于上地幔值约10%以上。中国东部新生代地幔岩的3He/4He值总体在上地幔3He/4He端员值(8±1Ra)的上下变化,与地幔柱的3He/4He值差异较大。大火成岩省(LIP)的形成与深部地幔柱的活动有关,峨眉山玄武岩是中国目前唯一被学术界普遍认可的LIP。开展包括峨眉山玄武岩在内的有关地幔柱稀有气体同位素示踪方面的研究,对于深化中国地幔柱领域的研究和推动大陆动力学研究的进程具有重要意义。     

地幔柱构造研究概述

地幔柱构造理论是近年来构造地质学研究的新热点,是当今地球科学——地质学、构造学、矿床学、地球物理学、生物学、环境学和气象学等许多学科关注和研究的前沿领域。它的形成和演化及动力学观点被称为继大陆漂移和板块构造后的第3次地学浪潮,引起了中外地学者的高度重视。本文对地幔柱构造研究现状作了概略介绍,以期在铀矿地质领域内引起关注．起到传递信息和抛砖引玉的作用。     

新疆北部乌恰沟地区镁铁质侵入岩的年代学、地球化学和Sr-Nd-Pb同位素组成：对地幔源区特征和深部过程的约束

阿尔泰造山带东段的乌恰沟地区发育大量镁铁质侵入岩(岩脉或小岩体),包括闪长玢岩和具堆积结构的角闪辉长岩和橄榄辉长岩。锆石SHRIMP U-Ph同位素定年结果说明这些镁铁质岩浆的侵位时间为257．4±5．3Ma,与峨眉山玄武岩相近(259±3Ma)。在微量元素原始地幔标准化图上,它们共同的特征是富集大离子亲石元素,亏损Nb和Ta,具K和Pb的正异常,LREE相对HREE富集,即具弧火山岩的地球化学特征。同时它们之间还存在互补的地球化学特征,如闪长玢岩存在Ba、Sr、Eu、P和Ti的负异常,橄榄辉长岩具有Ba、Sr、Eu、P的正异常,而角闪辉长岩具有Ti的正异常。如果扣除围岩混染和后期流体交代的影响,这些岩石的Sr-Nd-Pb同位素组成基本一致,因此闪长玢岩和两种辉长岩分别代表同源岩浆因结晶分离作用形成的演化岩浆和堆晶岩。乌恰沟晚二叠世镁铁质侵入岩和新疆北部早二叠世与铜镍矿有关的基性-超基性杂岩体都具有与弧火山岩相似的地球化学特征,反映了被俯冲改造的陆下岩石圈地幔的地球化学特征。但是与后者相比,前者的Mg~#值、ε_(Nd)(t)值和La/Nb比明显偏低,暗示存在软流圈地幔来源物质的显著贡献。综合阿尔泰乌恰沟地区镁铁质侵入岩的年代学、地球化学和同位素组成特征,我们推测该区在晚二叠世存在地幔柱与岩石圈地幔之间的相互作用。     

大别造山带早白垩世基性岩的同位素特征及下地壳物质对岩浆源区的贡献

大别造山带中生代岩浆岩的物质来源和成因机制,是大陆碰撞造山带研究的热点和前沿问题之一.本文通过对北大别椒子岩和沙村岩体的早白垩世基性岩进行全岩的主量、微量元素特别是Pb-Sr-Nd同位素研究,探讨了北大别基性岩的岩浆源区性质及下地壳的贡献.椒子岩基性岩的(87Sr/86Sr);的范围为0.7072～0.7075,εNd(t)范围为-10.4～11.9;椒子岩和沙村基性岩的(206Pb/204Pb)i为16.464～17.394,(207Pb/204Pb)i为15.349～15.453,(208Pb/204Pb)i为37.338～37.976.这样的同位素组成显示岩浆源区中下地壳物质的贡献显著;尤其Pb同位素特征表明下地壳贡献来自大别造山带自身的下地壳.下地壳物质的参与可能与拆沉有关.     

Variable involvements of mantle plumes in the genesis of mid-Neoproterozoic basaltic rocks in South China: A review

Ca. 825–720 Ma global continental intraplate magmatism is generally linked to mantle plumes or a mantle superplume that caused rifting and fragmentation of the supercontinent Rodinia. Widespread Neoproterozoic igneous rocks in South China are dated at ca. 825–760 Ma. There is a hot debate on their petrogenesis and tectonic affiliations, i.e., mantle plume/rift settings or collision/arc settings. Such competing interpretations have contrasting implications to the position of South China in the supercontinent Rodinia and in Rodinia reconstruction models.Variations in the bulk-rock compositions of primary basaltic melts can provide first order constraints on the mantle thermal–chemical structure, and thus distinguish between the plume/rift and arc/collision models. Whole-rock geochemical data of 14 mid-Neoproterozoic (825–760 Ma) basaltic successions are reviewed here in order to (1) estimate the primary melts compositions; (2) calculate the melting conditions and mantle potential temperature; and (3) identify the contributions of subcontinental lithosphere mantle (SCLM) and asenthospheric mantles to the generation of these basaltic rocks.In order to quantify the mantle potential temperatures and percentages of decompression melting, the primary MgO, FeO, and SiO₂ contents of basalts are calculated through carefully selecting less-evolved samples using a melting model based on the partitioning of FeO and MgO in olivine. The mid-Neoproterozoic (825–760 Ma) potential temperatures predicted from the primary melts range from 1390 °C to 1630 °C (mostly > 1480 °C), suggesting that most 825–760 Ma basaltic rocks in South China were generated by melting of anomalously hot mantle sources with potential temperatures 80–200 °C higher than the ambient Middle Ocean Ridge Basalt (MORB)-source mantle.The mantle source regions of these Neoproterozoic basaltic rocks have complex histories and heterogeneous compositions. Enriched mantle sources (e.g., pyroxenite and eclogite) are recognized as an important source for the Bikou and Suxiong basalts, suggesting that their generations may have involved recycled components. Trace elements variations show that interactions between asthenospheric mantle (OIB-type mantle) and SCLM played a very important role in generation of the 825–760 Ma basalts. Our results indicate that the SCLM metasomatized by subduction-induced melts/fluids during the 1.0–0.9 Ga orogenesis as a distinct geochemical reservoir that contributed significantly to the trace-elements and isotope inventory of these basalts.The continental intraplate geochemical signatures (e.g., OIB-type), high mantle potential temperatures and recycled components suggest the presence of a mantle plume beneath the Neoproterozoic South China block. We use the available data to develop an integrated plume-lithosphere interaction model for the ca. 825–760 Ma basalts. The early phases of basaltic rocks (825–810 Ma) were most likely formed by melting within the metasomatized SCLM heated by the rising mantle plume. The subsequent continental rift allowed adiabatic decompression partial melting of an upwelling mantle plumes at relatively shallow depth to form the widespread syn-rifting basaltic rocks at ca. 810–800 Ma and 790–760 Ma.     

Magmatic underplating beneath the Rajmahal Traps: Gravity signature and derived 3-D configuration

The early Cretaceous thermal perturbation beneath the eastern continental margin of the Indian shield resulted in the eruption of the Rajmahal Traps. To understand the impact of the magmatic process that originated in the deep mantle on the lower crustal level of the eastern Indian shield and adjoining Bengal basin the conspicuous gravity anomalies observed over the region have been modelled integrating with available geophysical information. The 3-D gravity modelling has delineated 10–15 km thick high-density (ρ = 3.02 g/cm³) accreted igneous layer at the base of the crust beneath the Rajmahal Traps. Thickness of this layer varies from 16 km to the west of the Rajmahal towards north to about 12 km near Kharagpur towards south and about 18 km to the east of the Raniganj in the central part of the region. The greater thickness of the magmatic body beneath the central part of the region presents itself as the locus of the potential feeder channel for the Rajmahal Traps. It is suggested that the crustal accretion is the imprint of the mantle thermal perturbation, over which the eastern margin of the eastern Indian shield opened around 117 Ma ago. The nosing of the crustal accretion in the down south suggests the possible imprint of the subsequent magmatic intrusion along the plume path.