岩浆过程中钙同位素分馏机制研究

发布时间：2020-11-19 23:11

　　 钙是地壳中丰度第五的元素,也是丰度最高的碱土金属元素,广泛分布于地球各个圈层。目前,钙同位素在地球科学中的研究工作主要集中于地球低温表生过程。受限于高温过程中较小的同位素分馏尺度,人们对钙同位素在高温过程中的分馏行为和机制的认识依然有限。本文选取典型样品对关键富钙矿物间分馏、上地幔组成、地幔熔融过程中的钙同位素分馏和地幔钙同位素组成不均一等一系列问题进行了制约。通过对榴辉岩和石榴橄榄岩中的石榴子石和单斜辉石矿物对的高精度钙同位素分析,揭示石榴子石相对单斜辉石富集重钙同位素,且分馏尺度存在显著变化,Δ44/42Cagrt-cpx变化范围为 0.06±0.03‰～0.38±0.04‰。结合前人 Fe-Mg-O 同位素及电子探针数据,这些石榴子石和单斜辉石样品应该记录了变质重结晶时的平衡分馏。石榴子石中钙离子的配位数与单斜辉石相同,但键长更短,因此富集重钙同位素。两者之间的钙同位素分馏尺度与单斜辉石硬玉组分呈负相关,反映了单斜辉石的矿物成分效应。结合前人对富钙辉石与熔体间分馏系数的估计,低压下单斜辉石与熔体之间钙同位素分馏接近0。随着压力的上升,残留相中石榴子石比例上升、单斜辉石硬玉组分增加,残留相与熔体之间的分馏尺度显著增大。因此,钙同位素可以作为一种潜在的示踪岩浆起源深度的工具。一组来自全球不同地区未经交代地幔橄榄岩样品揭示熔体提取会使橄榄岩残留相的钙同位素组成逐渐变重。尖晶石相和石榴子石相橄榄岩间未见显著的钙同位素组成差异。根据这些样品钙同位素组成和反映熔体提取的指标(CaO、MgO和Al2O3)之间的相关性,本文估计上地幔的δ44/40Ca和δ44/42Ca分别为0.90±0.03‰和0.42±0.02‰(2SE)。上地幔的ε40/44Ca值为-0.41±0.45ε,表明其相对于NIST SRM 915a略为亏损放射性成因40Ca。受到不同性质熔体交代的地幔包体的研究表明,硅酸盐熔体和碳酸盐熔体都可以显著降低交代地幔钙同位素组成,导致地幔不均一。硅酸盐熔体与碳酸盐熔体交代的地幔样品的全岩δ44/42Ca变化范围分别为0.14±0.05‰～0.44±0.06‰和0.16±0.05‰～0.32±0.03‰。硅酸盐熔体与碳酸盐熔体对地幔橄榄岩的主量元素成分影响不同,可以根据CaO和Al2O3等主量元素指标进行识别。为了对地幔熔融过程的钙同位素分馏做出进一步制约,本文分析了来自印度洋和大西洋两处洋脊的MORB样品。除一件样品外,其他样品均为典型N-MORB样品。这些MORB样品的钙同位素组成非常均一,δ44/42Ca平均值为0.42±0.03‰(2SD,N=6),与上地幔之间的同位素差异非常小。这表明洋中脊地幔熔融过程中,因富钙单斜辉石是残留相中主要含钙矿物,熔体和源区间钙同位素分馏十分有限。来自全球四个热点(包括代表典型EMI源区的太平洋Pitcairn岛、代表典型HIMU源区的大西洋Canary岛、印度洋La Reunion岛和太平洋夏威夷岛)的洋岛玄武岩揭示显著的δ44/42Ca变化(0.34土0.03‰～0.42±0.03‰),系统低于上地幔和MORB,反映了表壳物质的加入。其中Pitcairn岛OIB的δ44/42Ca均值为0.35±0.03‰(2SD,N=6),略低于其他端元样品。然而,受限于当前的分析精度,尚无法有效区分交代物质组分到底是再循环洋壳还是碳酸盐。这表明应用钙同位素示踪深部碳循环,还需要研发超高精度分析方法,以及更多的研究工作来识别再循环的碳酸盐和非碳酸盐组分对源区钙同位素组成的影响。关键矿物的Ca同位素分馏行为对解释岩浆过程的Ca同位素分馏非常重要。熔融压力较高时,石榴子石和富硬玉辉石相对熔体富集重钙同位素,可导致熔体的Ca同位素变轻。在低压下,由于富钙单斜辉石与熔体间分馏非常有限,地幔橄榄岩低压熔融产生的熔体钙同位素组成变化很小。受交代地幔橄榄岩和不同类型OIB的钙同位素组成都系统低于上地幔,存在比较显著的变化范围,反映了地幔的钙同位素组成不均一。在应用Ca同位素示踪壳幔物质循环时,需考虑岩浆过程对再循环物质Ca同位素的影响。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P597;P588.11
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 钙同位素地球化学体系
        1.1.1 Ca同位素质量相关和非质量相关分馏
        1.1.2 稳定Ca同位素研究现状
    1.2 选题依据及意义
    1.3 研究内容
        1.3.1 岩浆过程主要含钙矿物间的Ca同位素分馏机制
        1.3.2 地幔中Ca同位素分馏
        1.3.3 大洋玄武岩的Ca同位素组成
    1.4 论文工作量
2 地质背景与样品描述
    2.1 石榴子石、单斜辉石矿物对
    2.2 地幔样品
    2.3 大洋玄武岩
3 分析方法
    3.1 电子探针分析
    3.2 Ca同位素分析
        3.2.1 双稀释剂法介绍
        3.2.2 样品消解与纯化
            3.2.2.1 实验准备
            3.2.2.2 样品消解
            3.2.2.3 化学纯化
        3.2.3 质谱测定
        3.2.4 分析精度
4 石榴子石与单斜辉石间的Ca同位素分馏
    4.1 实验结果
        4.1.1 电子探针分析
        4.1.2 Ca同位素分析
    4.2 讨论
        4.2.1 石榴子石与单斜辉石的Ca同位素分馏
        4.2.2 对低镁埃达克质岩Ca同位素特征的解释
    4.3 小结
5 Ca同位素在地幔中的分馏
    5.1 实验结果
    5.2 讨论
        5.2.1 地幔熔体提取过程中Ca同位素分馏
        5.2.2 对上地幔Ca同位素组成的限定
        5.2.3 受交代地幔包体的Ca同位素组成
    5.3 小结
6 MORB和OIB样品Ca同位素组成
    6.1 实验结果
    6.2 讨论
        6.2.1 洋中脊玄武岩的Ca同位素组成
            6.2.1.1 海水蚀变
            6.2.2.2 分离结晶
            6.2.2.3 部分熔融
        6.2.2 洋岛玄武岩的Ca同位素组成
    6.3 小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
致谢
参考文献
附录
作者简介及在读期间学术论文发表情况

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 祝红丽;张兆峰;刘峪菲;刘芳;康晋霆;;钙同位素地球化学综述[J];地学前缘;2015年05期

2 李亮;蒋少涌;;钙同位素地球化学研究进展[J];中国地质;2008年06期

本文编号：2890570