高温过程中的Cr同位素分馏：对地球形成和演化的制约

发布时间：2019-05-09 21:48

【摘要】：近年来,随着分析技术的发展和分析精度的不断提高,大量非传统稳定同位素体系被逐步建立并应用于各地质过程研究中。从太阳系起源和星云演化到地球形成和演化,再到微生物的生命活动等研究工作中,非传统稳定同位素体系显示了巨大的作用和应用前景。Cr作为过渡金属元素,是除主量元素以外丰度最高的元素之一,在自然界中广泛存在。目前,Cr同位素的研究主要应用于太阳系早期定年,星云演化等宇宙化学研究,及古环境的氧化还原演化等低温地球化学中。前人研究发现,硅酸盐地球和月球相对于球粒陨石亏损Cr。而根据近年来高温高压实验岩石学的研究,Cr的亲铁性随温度的升高和氧逸度的降低而增强,在一定的温压、氧逸度条件下,60%的Cr分配进入地核,从而造成目前硅酸盐地球相对亏损Cr。同时,Cr是一个变价元素,在硅酸盐中主要以+2和+3价存在,而在金属地核中则以0价存在。根据同位素分馏理论,同一元素的不同价态间可能存在显著的同位素分馏。因此,Cr同位素可能具有制约地球核幔分异过程的潜力。但是,目前高温Cr同位素研究存在的主要问题是:(1)对于硅酸盐地球的Cr同位素组成制约工作还比较缺乏;(2)对于高温地质过程(如部分熔融和岩浆演化)中的Cr同位素分馏及其机制还没有系统的研究;(3)地球上大部分的Cr可能储存在地核中,但缺乏对地核的Cr同位素组成的制约;(4)缺少高温实验中不同条件下金属相和硅酸盐相之间的Cr同位素分馏的研究,对地球核幔分异过程中可能发生的Cr同位素分馏还不清楚。针对上述问题,本论文首先用双稀释剂法对来自不同地质背景的地幔捕掳体的Cr同位素组成进行了系统的研究。对于不同类型的地幔捕掳体(尖晶二辉橄榄岩,石榴二辉橄榄岩,方辉橄榄岩,辉石岩)的分析结果显示,地幔捕掳体的Cr 同位素组成极其不均一,δ53CrNIST979 从-l.36±0.04‰(2SD)到+0.75±0.05‰(2SD)。其中,新鲜的正常地幔橄榄岩(Al2O34.5wt.%,没有经历过明显的交代作用)的δ53Cr随全岩CaO和Al2O3含量的升高而降低,指示部分熔融过程中可能存在一定的Cr同位素分馏。通过分离和批式熔融模拟发现,部分来自外蒙古的样品Cr同位素组成不能用部分熔融解释,可能还存在动力学过程导致较大的Cr同位素的分馏。交代过程中,由于熔体与橄榄岩间存在Cr含量的不平衡,Cr从地幔橄榄岩向熔体扩散,产生了具有极低Cr同位素组成的熔体岩脉(低至-1.36±0.04‰)和偏高Cr同位素组成的橄榄岩(高至+0.75±0.05‰)。考虑到部分熔融,交代作用及后期蚀变均可能改变地幔橄榄岩的Cr同位素组成,我们选取了饱满或接近饱满的地幔橄榄岩来计算地幔的平均Cr同位素组成,得到的上地幔平均的δ53Cr为-0.14 ± 0.12‰(2SD),与前人得到的硅酸盐地球的Cr同位素(-0.12±0.10‰)组成一致。为了进一步研究岩浆演化过程中的Cr同位素分馏行为,我们对夏威夷玄武岩的Cr同位素进行了系统的测量。结果显示, MaunaKea和Koolau的样品Cr同位素组成相对均一,且两者的平均组成在误差范围内一致,指示海水蚀变及源区再循环物质的加入没有明显改变夏威夷洋岛玄武岩的Cr同位素组成。Kilauea Iki的样品则显示一定的Cr同位素变化,δ53Cr从-0.18±0.04‰(2SD)to0±0.04‰(2SD),且与全岩MgO, FeOtot及Cr含量正相关,与SiO2,CaO和Al2O3含量等负相关。这些相关关系主要反映了岩浆演化过程中含有较重Cr同位素组成的铬铁矿与橄榄石一起堆晶的过程,表明在铬铁矿的分离结晶过程中存在明显的Cr同位素分馏。通过混合模型计算,我们得到铬铁矿与熔体间的平衡分馏系数(A53Crchr-melt)为0.05‰到0.20‰,拟合最好的分馏系数为0.10‰。这一结果与前人对月球玄武岩的研究结果相似,指示在不同的氧逸度条件下(IW-2到FMQ或更高,IW: iron-wiistite 缓冲对,FMQ: fayalite-magnetite-quartz 缓冲体系),铬铁矿的结晶过程中均会在一定程度上富集重的Cr同位素,这可能是由于在这一氧逸度范围内,Cr在熔体中同时以Cr2+和Cr3+的形式存在,而铬铁矿结晶过程中更倾向于富集Cr3+造成的。大部分分异的硅酸盐陨石的氧逸度在月球和地球表层岩石之间,这意味着在其他星体的岩浆演化过程中可能也存在一定的Cr同位素分馏,在确定其他分异星体如火星和灶神星硅酸盐的Cr同位素组成是需要考虑岩浆演化的影响。受铬铁矿结晶分异影响比较小的夏威夷玄武岩的平均δ53Cr为-0.17±0.05‰(2SD),与地幔橄榄岩在误差范围内一致,但可能整体略偏轻。在确定了地球硅酸盐的Cr同位素组成的基础上,本论文还对代表小行星分异后核部的铁陨石的Cr同位素组成和高温条件下金属相和硅酸盐相之间的Cr同位素分馏进行了研究。对铁陨石的研究结果显示,代表行星核部的铁陨石整体具有较重的 Cr 同位素组成,δ53Cr 从+0.86 ± 0.05‰(2SD)到+2.05 ± 0.04‰(2SD),远高于球粒陨石(-0.11 ±0.10‰,2SD),且同组铁陨石虽然具有不同的非质量相关分馏ε53Cr和ε54Cr值,但具有相似的稳定Cr同位素组成。通过活塞圆筒压机,我们对1800℃, 1GPa条件下,不同组成的硅酸盐和金属相之间的Cr同位素分馏进行了研究。结果显示,Fe-Ni金属和原始地幔橄榄岩组成的硅酸盐间存在系统的的Cr同位素分馏,且金属相Cr同位素相对硅酸盐相偏重,两相间Cr同位素的分馏值 △53CrM-s (△53CrM-S=δ53CrMetal-δ53CrSilicate)为:+0.08±0.04‰(2SD)。改变硅酸盐的物质组成后,我们发现△53CrM-S的值也会有一定的改变,整体上随金属相Ni含量和体系氧逸度的升高而升高。据此,我们将Cr在金属和硅酸盐间的分配系数模型和分馏系数相结合,对不同温度、压力和氧逸度条件下,金属和硅酸盐相中的Cr含量及同位素组成进行了模拟。结果显示,即使在比较氧化的实验条件下(IW-1.2),核幔分异产生的Cr同位素分馏也不能完全解释铁陨石重的Cr同位素组成。铁陨石重的Cr同位素组成可能指示小行星核形成后的结晶分异过程中存在显著的Cr同位素分馏。对地核而言,如果地核增生是从还原到氧化,那么地核的Cr同位素组成与硅酸盐地球相似;如果地核增生是从氧化到还原,那么,地核的Cr同位素组成可能比硅酸盐地球偏重。两种情况下,硅酸盐地球的Cr同位素组成都与球粒陨石相似,这与目前的测量结果一致。综上所述,我们的研究发现在高温核幔分异过程、地幔橄榄岩部分熔融和玄武质岩浆结晶分异过程中,Cr同位素均会发生不同程度的分馏。这一结果暗示了 Cr同位素在示踪高温岩浆活动及早期行星的形成和演化中具有巨大的潜在应用。我们的结果为未来高温Cr同位素体系的应用和发展提供了理论及数据基础。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P597
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本文编号：2473113