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氦同位素分析方法及地质应用研究

李延河  
【摘要】: 氦的化学性质不活泼,但具有极强的扩散和迁移能力。氦在地球物质中的丰度极低,但广泛分布于自然界各种物质之中。氦同位素在自然界中的变化范围巨大,~3He/~4He=10~(-1)~10~(-8),不同成因和来源的氦其丰度和同位素组成明显不同。氦同位素已成为研究陨石起源演化,示踪陨石撞击事件,区分地内地外物质;划分地幔类型,研究壳幔相互作用、地幔交代作用、地幔流体成矿作用,判定地幔热柱是否存在,预报地震的重要手段。国内氦同位素方面的研究起步较晚,且基本限于气体样品研究,固体样品的氦同位素分析方法长期未能建立,许多领域的应用研究尚未开展。1995年底我们所从乌克兰引进了一台惰性气体同位素质谱仪,重点开展固体样品的氦同位素研究。本论文结合室内承担的任务,开展了固体样品的氦同位素分析方法研究,并在地质应用研究方面做了许多尝试。本文重点介绍了C-C区海底多金属结核、大别山榴辉岩和中国东部新生代玄武岩中幔源包体的氦同位素研究成果。 海底多金属结核和富钴结壳储量巨大,是重要的海洋矿产资源。海底多金属结核、结壳与海底火山热液活动的关系,结核的生长速率与周围沉积物的沉积速率的关系是人们普遍感兴趣的两个重要问题。这些问题的研究解决不仅关系到多金属结核、结壳的成因,而且对于研究掌握结核、结壳的分布规律,进一步寻找富矿结核、结壳具有十分重大的现实意义。本论文首次对东太平洋海盆C-C区海底多金属结核及其周围沉积物、磁性部分与非磁性部分的氦同位素组成进行了系统的对比研究。发现海底多金属结核及周围沉积物的~3He/~4He比值异常高,普遍高于MORB的值,有的甚至高于地幔热点的值。结核及周围沉积物中磁性部分相对非磁性部分的~3He/~4He比值明显偏高;磁性部分的~3He、~4He含量是非磁性部分的10~100倍,这是地内物质所不具有的特征。在~3He-~3He/~4He图上,结核及周围沉积物的氦同位素数据点均沿着宇宙尘与陆壳物质的混合曲线分布,表明海底多金属结核的~3He/~4He比值异常是由宇宙尘注入引起的。根据地外~3He的通量和结核、沉积物中地外~3He的含量计算了结核的生长速率和沉积物的沉积速率。计算出的结核的生长速率为0.4~0.9mm/kyr,与周围沉积物的沉积速率很相似,且同步变化。提出结核的生长速率与周围沉积物的沉积速率相似,可能是结核始终位于沉积物的表面而未被沉积物埋藏的根本原因。从而解决了“结核的生长速率较周围沉积物的沉积速率慢近1000倍,但结核却始终位于沉积物的表面而未被沉积物埋藏”,这一困扰海洋地质学家多年的难题。 自大别山地区榴辉岩中发现柯石英和金刚石以来,大别-苏鲁地区已成为国内外超高压变质岩研究的热点。人们从不同的侧面对大别-苏鲁地区超高压变质岩进行了深入研究,取得一批重要成果。但对超高压变质榴辉岩的原岩性质、榴辉岩与围岩的关系等一些基本问题尚存在不同认识。本文通过对该地区榴辉岩的氦同位素研究对上述问题进行探讨。大别-苏鲁地区榴辉岩的~3He/~4He比值大部分位于0.056~0.67Ra之间,在~3He-~4He图上位于陆壳氦与地幔氦的混合部位。碧溪岭榴辉岩的~3He/~4He比值相对较高,为5.6 Ra,具幔源岩石的特点。苏鲁地区榴辉岩的~4He含量和榴辉岩中石英的δ~(18)O值呈明显的反相关关系。结合榴辉岩的地质特征提出榴辉岩原岩为早期侵入陆壳的基性-超基性岩体或岩脉,在其侵入过程中与陆壳物质和古大气降水发生了强烈的混染和交换,使其~3He/~4He比值、δ~(18)O值和ε_(Nd)(0)值等大大降低,而具有陆壳岩石的明显特征。岩体或岩脉在其侵入过程中与陆壳物质和古大气降水交换程度的不同,是造成大别-苏鲁地区榴辉岩的~3He/~4He比值和δ~(18)O值变化大的根本原因。榴辉岩的~3He/~4He比值与其围岩类型密切相关,榴辉岩及其围岩的δ~(18)O值同步变化,表明榴辉岩是原地成因的。 中国东部新生代玄武质岩浆活动强烈,分布广泛,其中含有丰富的幔源包体和高压巨晶。我们首次对这些幔源包体和高压巨晶的氦同位素组成进行了系统的研究。发现不同地区,及同一地区不同幔源包体和高压巨晶的氦同位素组成明显不同。提出幔源包体和高压巨晶的氦同位素组成均反映了其地幔源区的特征,与寄主玄武岩无必然成因联系。大部分地区幔源包体和高压巨晶的~3He/~4He比值与MORB值相似,暗示这些幔源包体和高压巨晶可能主要来自MORB型亏损地幔源区。汉诺坝二辉橄榄岩包体的~3He/~4He比值异常低,1.5×10~(-7);而石榴石巨晶的~3He/~4He比值很高2.1~2.4×10~(-5)。提出该地区可能发生过强烈的地幔交代作用,地幔交代作用在上部形成富集地幔,在下部形成极度亏损地幔。具有异常低~3He/~4He比值的幔源包体可能来自上部交代富集型地幔源区;具有较高~3He/~4He比值的高压巨晶可能来自下部极度亏损地幔源区。在汉诺坝一件石榴子石巨晶中发现了可能是地球上最高的~3He/~4He比值,9×10~(-4)。


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