Ⅰ、硅酸盐高精度B同位素测定方法的建立及其应用 Ⅱ、南海海山玄武岩的年代学和地球化学研究

发布时间：2020-02-14 10:28

【摘要】：本论文分两部分:(1)硅酸盐高精度B同位素测定方法的建立及其应用;(2)南海海山玄武岩的年代学和地球化学研究。硼(B)是自然界同位素相对质量差最大的元素之一,因此自然界B同位素存在相当大的分异。B还具有强活动性、强不相容性和在水流体中的高溶解度,所以不同地球化学储库中不但B同位素组成不同,B的浓度差异也很大,因此B同位素在地球化学研究中具有很广阔的应用前景。由于硅酸盐中B的化学分离和纯化比从其他物质中更复杂,至今硅酸盐矿物和岩石的B同位素分析仍很困难。为此,我们开发了一种简单的化学处理方法来分离和纯化B,然后利用MC-ICP-MS(多接收器等离子体质谱,Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)、采用样品-标准相间的模式测定硅酸盐岩石的高精度B同位素组成。硅酸盐岩石中的B通过HF溶解的方法提取,用单根阴离子交换柱(AG MP-1)纯化,在整个化学处理过程中,只需要一次蒸干操作。该简化流程有效降低了化学处理过程中样品B的污染和丢失。PFA(全氟烷氧基树脂,Perfluoroalkoxy,抗HF腐蚀材料)雾化室和刚玉雾化器的使用减少了MC-ICP-MS测定过程B的记忆效应,从而能够提供高精度δ11B数据。δ11B的内部精度优于+0.05‰(2σ标准误差),外部精度通过长期测定SRM 951获得,高于+0.30‰(2σ标准误差)。我们还测定了一系列国际硅酸盐岩石标样的δ11B,其中一部分已有前人测定值样品的数据与本次测定值在误差范围内一致。这表明此方法适合各种硅酸盐岩石的高精度δ11B测定,而且我们的数据为更多岩石标样提供了有效的B含量和δ11B值参考。作者用上述方法测定了双辽地区新生代玄武岩的B含量及同位素组成,以示踪其岩浆源区是否含有再循环洋壳组分。双辽玄武岩B含量虽然偏低,但仍超出了原始地幔部分熔融产物的范围,早期形成的碧玄岩和碱性橄榄玄武岩δ11B值偏高且值较分散(-9.7‰至+1.5‰,平均值为-3.0‰),其中两个碧玄岩样品(BBT-4和BLS-4)甚至具有正的δ11B值(BBT-4:+1.07‰,BLS-4:+1.48‰),显示其源区有与海水蚀变相关的产物参与,而此类产物通常来自于俯冲洋壳表层或浅层;而后期形成的辉绿岩和过渡型玄武岩则具有相对集中且偏负的δ11B值(-11.3‰至-5.8‰,平均值为-8.2‰),落在了原始地幔的范围内(-10±2‰)。由于B的同位素组成并未受到陆壳混染、分离结晶和部分熔融过程的影响而发生分馏,因此双辽玄武岩样品的B同位素组成可以代表部分熔融之前岩浆源区的B同位素组成,即其地幔源区存在富集11B的洋壳物质存在,该认识支持前人关于双辽新生代玄武岩源区含有再循环洋壳组分的观点。晚新生代玄武岩广泛分布于南海及其周边,包括Macclesfield、Reed Banks、泰国、越南、海南岛和雷州半岛等地区。对该期玄武岩样品的岩石学、同位素年代学和地球化学研究,不仅对南海演化和地幔深部动力学机制以及全球的板块构造格局演变的研究有重要意义,也是进一步开展南海深水区油气资源勘探的需要。我们选取了南海玳瑁、珍贝和中南三座海山的14块玄武岩样品为研究对象,开展了全岩岩石学、40Ar-39Ar年代学和地球化学研究。南海海山玄武岩40Ar-39Ar年代学结果表明玳瑁海山(~21.62 Ma)形成于南海停止扩张之前,珍贝和中南海山(分别为7.35-8.42 Ma和6.79-8.18 Ma)则形成于南海停止扩张之后。通过南海海山和周边地区(包括雷州半岛,海南岛和越南)玄武岩之间的对比发现,(1)两者在岩石学和地球化学方面,尤其是放射性同位素比值的重合显示他们来自同一地幔源区;(2)但是两者的某些主微量元素含量显示了差异。海山和周边的新生代玄武岩样品在地幔源区和上升至洋壳表面的过程中经历的不同程度的分离结晶作用(斜长石、橄榄石和/或斜长石),造成了两者在Mg O含量和Mg#比值、Ni含量等方面的差异。而海山样品相对于周边样品低的(Sm/Yb)N,高的HREE含量、(Nb/Ta)N、(Zr/Hf)N以及玳瑁海山相对于珍贝和中南海山更低的LREE含量、(Zr/Hf)N和(Sm/Yb)N和La/Yb等则是岩石圈厚度不同造成的。在La/Yb VS.Dy/Yb相关图中,南海海山和周边新生代玄武岩都是尖晶石相稳定区和石榴石相稳定区部分熔融熔体混合的产物,但对于南海海山,尖晶石相稳定区部分熔体的贡献更大。另外玳瑁海山相对另外两座海山具有更低的La/Yb,表明形成于更浅的位置,根据岩石圈盖效应,显示其上覆岩石圈更薄。冷却模型计算的岩石圈厚度表明海山在形成时总体上具有比周边地区薄得多的上覆岩石圈。三座海山之中,珍贝和中南海山在形成时具有接近的上覆岩石圈厚度,而且都大于玳瑁海山形成时的岩石圈厚度。南海海山和周边地区新生代玄武岩的同位素组成显示DMM与EM2端元组分的两端元混合特征,另外样品还具有Dupal Pb同位素异常,这些特征表明南海海山和周边新生代玄武岩地幔源区的不均一性很可能是洋壳再循环造成的,地幔动力学机制可能为海南岛地幔柱。海南岛地幔柱携带了俯冲的太平洋和/或印度-澳大利亚板块俯冲至下地幔甚至核幔边界的物质上升至地表,为南海海山和周边地区的新生代玄武岩提供了充足的能量和物质。
【图文】：

B同位素,电气石,岩石,范围

硅酸岩高精度 B 同位素测定方法的建立及其应用和南海海山玄武岩的年代学和表 1.1 不同地球化学库和地质体中的11B 和 B 浓度11B（‰） B（×10-6）+39.5 4.5-4 ~ +59盐 -30 ~ +10 高 +18 ~ +32 0.1 ~ 1+9 ~ +32 -5 ~ +5 约 10-5.6 ~ +6,3-7 ~ +13 <1（新鲜）10 ~ > 80（蚀变）

淋洗曲线,离子交换柱,淋洗曲线,主要元素

丙烯分离柱中。树脂首先用 5 ml 的 Milli-Q 水清洗三次，然后用 3 ml 的 24MBVIII HF 清洗四次，之后用 3 ml Milli-Q 水清洗 4 次，最后再用 2 ml 3M HF 水清洗一次，就可以用于 B 的离子交换层析纯化。12 ml 3M HF 含样品的上清液缓慢加到离子交换柱上，每次 1 ml。上样顺序要根据 Ti 含量高低排序，这是由于在 AG MP-1 树脂离子交换柱的层析过程中，只有 Ti 淋洗干净之后，B 才会开始出现在淋洗液中，因此为了便于 Ti 淋洗效果的监控并确定后期的冲洗流程，需要按照 Ti 含量高低顺序上样。另外考虑到这些样品的 B 含量变化范围很大（从 2.5ppm 到 210ppm），而且最后接到的样品只有 2/3 用来进行 B 同位素测定（其余用来测定 B 元素含量），故而 0.15 g 样品溶解之后应有 0.25~0.21 g 的 B 用于同位素组成测定。为了消除空白对样品 B同位素的影响，每个样品应在离子交换层析和相关的分离过程后有> 1 g 的 B。所以对于 B 含量<10 ppm 的样品，每个柱都要上 2-4 份溶样后离心分离的上清液，从而保证每根柱至少有 1 g 的 B。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(广州地球化学研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P597.3;P588.145

【参考文献】