同位素地球化学申请国家自然科学基金申请书样本
利用高灵敏度专用质谱计精细测定各组合岩石的稀,从宏观构造学上提出新特提斯的形成模式;;利用稀有气体对海洋的扩展探讨壳—幔相互作用在新特提斯洋扩张与消减过程中的影响;深入剖析不同变质矿物的微区稀有气体同位素组成变化,寻找热液变质作用的稀有气体同位素响应。该项研究有助于揭示新特提斯洋的形成、发育演化的机制,能够从微观上对壳—幔相互作用给出地球化学的示踪解释。研究中的新发现还会引发对构造动力学和海洋构造环境研究的重新思考,对固体地球科学研究产生大的影响。 关 键 词(用分号分开,最多5个) 雅鲁藏布;蛇绿岩;稀有气体同位素;新特提斯洋;成因环境
国家自然科学基金申请书
总人数
国家自然科学基金申请书
经费申请表 (金额单位:万元) 科目
一.研究经费
.科研业务费
(1)测试/计算/分析费
(2)能源/动力费
(3)会议费/差旅费
(4)出版物/文献/信息传播费
(5)其它
.实验材料费
(1)原材料/试剂/药品购置费
(2)其它
.仪器设备费
(1)购置
(2)试制
.实验室改装费
.协作费
二.
.2.三.劳务费
四.管理费
合 计 申请经费 35.600025.20008.80002.80009.80003.80000.00004.5000http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef3.9000 3.9000 2.00005.00003.00002.00001.80002.200044.6000 只收消耗成本(高消耗),计划分析80个样品 项目组临时用车等 3人26人次学术会议 微型碎样器(已研制定型)加工 部分样品外送检测 2人次到日本和美国进行交流,并建立合作关系 接待美国和日本学者2人次 采挖、搬运样品 5%计
.0000
.0000备注(计算依据与说明) 国家其他计划资助经费 与本项目相关的 其他经费来源 其他经费资助(含部门匹配) 其他经费来源合计
报告正文
(一)立项依据与研究内容(4000-8000字):
。 1、 项目的立项依据(附主要的参考文献目录)
研究古洋壳的代表物质蛇绿岩,对研究海洋岩石圈演化模式、完善地球动力学过程等均具有重要的科学意义。30多年来,已对雅鲁藏布蛇绿岩进行了许多基础性工作,但由于测试技术的原因,国内对蛇绿岩的稀有气体同位素地球化学研究还处于空白状态。近几年来,稀有气体同位素测试技术在我国建立并完善,从而推动了我国该领域研究的产生稀有气体特有的核过程(主要有三种类型),使得Sr、Nd、Pb指示等都可提供有益的特色资料。
)
自20世纪50U-He定年方法、K-Ar定年方法、40Ar-39ArAr深部存在过剩21Ne和22Ne20世纪90年代,
(1)
海洋玄武岩中稀有气玄武岩玻璃体和气泡具有不同的(1991)认为这种表观的不平衡现象可能有自然环境下HeGraham et al.(1993)在来自环加拉帕戈斯地台的海山玄武
是空气中3He/4He23R(ARA=1.40×10,
值)3He与其它同位素示踪剂比如Sr、Nd、Pb等来源不同这一特3He/4He的源可能在深部地幔或核--幔边界。
et al.(1991,1993)在夏威夷岛链中Loihi和基拉韦厄火山的枕状http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef玄武岩玻璃体中还发现了太阳型Ne,这也得到了其他研究者的支持,比如Hiyagon et al.(1992),Poreda and Farley(1992),Moreira et al.(1995),Valbracht et al.(1997),Moreira et al. (1996), Harrisson et al.(1999)等。这给地球大气层的起源演化提供了新的视野。
et al.(1999)曾发现了一种与Dupal有关的稀有气体组分,Sarda et al.(2000)认为这种Dupal源的稀有气体组成是:(3He/4He)D约为7.7×10-6,(40Ar/36Ar)D约为
(3He/22Ne)D约为7。 13000—15000,(21Ne/22Ne)D约为0.085,
(2) 地幔包体(捕虏体)中稀有气体研究
地幔包体结晶形成于地球深部,不易丢失气体,受地表空气污染小,可以在大气渗透深度之下封闭稀有气体的交换。在对大量地幔包体中稀有气体研究的基础上,人们认
(例,Patteerson et al.,1990;Poreda et al.,1992;识到富集地幔的40Ar/36Ar应在3500以上
et al.,1993;Farley et al.,1993;Burnard et al.,1994)。对日本的隐歧—岛后和一宫火山口的幔源二辉橄榄岩、二辉岩及来自下地壳的斜长角闪岩的稀有气体同位素进行研究后,Nagao et al.(1993)提出:上地幔的稀有气体首先积聚在下地壳,然后通过火山作用脱气,而不是直接从地幔楔上升喷发。Patterson et al.(1990)还对稀有气体如何通过消减系统运移并导入样品的母体岩浆提出了一个模式。
稀有气体同位素和固体放射性成因同位素在玄武岩的地幔源中是耦合的,但在捕虏体中是去耦的(Vance et al.,1989;Rocholl et al.,1996)。在对澳大利亚东南超镁铁岩石捕虏体进行稀有气体研究时发现放射性成因和核成因的稀有气体仅在熔融时释放,因此成因和核成因http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef产物的有意义的影响,因为U、Th、K(Matsumoto et al.,2000)。
.(1998)提出新的大气—给出了新的解释。他们认为,地球中最初的36Ar ≈-8,亏损地幔藏中现有的36Ar最多是初始值的0.24@36;弱脱气地幔也发生过脱气,其现有的36Ar4036Ar低于37000;从固体地球中脱出的Ne比现今大气中的Ne
(1997)发现地表单斜辉石显示低的3He/4HeHe存的橄榄石则有较高的He丰度和34He值。3He/4He
(3)
—澳板块之间,1990)。该盆地的东北部有萨He同位素进行系统研究后,人们用通道迁移机理很(Poreda et al.,1992;Poreda et al.,1993)700km深处受到下沉的太平洋板块的撞击,于是Lau盆地中心的扩张轴的地壳扩张作用改变了其运移Hilton D R et al.,1993)。无独有偶,Honda et al.(1993)在LauNe;Matsumoto et al.(1998)也在的、大气来源的NeHonda et al.(1999)经过计算提出质量门限分馏过程。
在对日本的西南岛弧带和东北岛弧带的稀有气体研究中,Ikeda et al(2001)指出其西南岛弧的地幔源主要是古消减洋壳和沉积物,而其超镁铁岩石则明显有似萨摩亚(Samoan)的地幔柱组分的贡献;来自东北岛弧的超镁铁岩和橄榄石斑晶则表现出亏损地幔(MORB)与消减沉积物的混合。
海底沉积物中含有的地球外来源的3He与其氧同位素及气候旋回有较好的相关性(Patterson and Farley,1998)。尽管相关数据很有限,但稀有气体地球化学研究在该方向上的应用前景已经显现。
科学家们对地核中的稀有气体也进行了探讨(Matsuda et al.,1993);Mukhopadhyay
al(2001)还将地球物质中所含的地球外3He用来探讨地球历史上的地质突变事件。
(4)我国稀有气体研究概况
在20世纪50、60年代引入的地质年龄测定的K-Ar法对我国同位素年代学及相http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef关学科的发展起了重要作用,但把稀有气体同位素地球化学作为一门学科进行研究则起步较晚。20世纪70年代初把Ar同位素和He丰度结合起来探讨油气地球化学中的油、气源对比及油、气运移等问题属于有开拓意义的研究。20世纪80年代后期,孙明良(1987)建立了天然气中3He/4He比值测量的实验方法,使我国同位素中稀有气体研究进入了一个新的阶段,并取得了喜人的成就(戴金星等,1995;徐永昌等,1998),遗憾的是研究对象仅限于流体样品中的稀有气体。20世纪90年代末,研究对象扩展到岩矿样品中的稀有气体同位素,胡瑞忠等(1997,1999)虽然对我国金属矿床的He、Ar同位素首次做了许多工作,但其样品分析是在英国完成的,国内的工作则由孙明良等(1997)、毛景文等(1997)、YE X R et al.(1998)、杜建国等(1998))、侯增谦等(1999)、李延河等(2000)首先开展的。吴茂炳(20002001)利用中国科学院兰州地质研究所MM5400体中He、Ne、Ar、Kr、Xe究中的首例。究、郯庐断裂带的稀有气体研究。2001岩中幔源包体和高压巨晶的He)也发表了河南某金矿的He、Zhou Shixin et al(2002)、Ye Xianren et al(2003)2003a,,c2003a,b)。刘强等(2000)还对Ar2)自从1972缘(Edelman,)有的蛇纹石化的地幔橄榄岩和辉长岩直接扩张有关(Lagabrielle and Cannat,1990)
环太平洋地区的蛇绿岩与特提斯带不同。特提斯蛇绿岩大多形成在SSZ(消减带之上的)环境,多出现在洋盆汇聚的早期阶段,早于岛弧的形成。此外,象意大利的利古里亚、东阿尔卑斯以及南斯拉夫西部的蛇绿岩主要产于小洋盆中,与早期的裂谷作用有关(Robertson and Jones,1992)。日本、俄罗斯东部、阿拉斯加、北美西部、墨西哥、智利、东澳大利亚等环太平洋蛇绿岩岩片具有多期叠加的特征,向下蛇绿岩变得年轻,如日本的蛇绿岩,可以从早古生代一直到新生代(Ishiwatari,1992)。蛇绿岩许多是早先洋内岛弧的单元,后来漂移和合并到环太平洋地体中的。
蛇绿岩可形成于不同http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef的构造环境。一般来说,与SSZ和破裂带有关的岩片优先被侵
位,而N-MORB仅限于增生的蛇绿岩的下伏洋壳碎片。特提斯蛇绿岩因陆--陆碰撞或主要是弧前的前部与被动陆缘的碰撞而侵位,而环太平洋蛇绿岩则是在弧--弧合并和地体对接过程中侵位的,经历了典型的“软碰撞”作用。
太古代和早元古代蛇绿岩的研究表明,早元古代蛇绿岩的面貌与显生宙是类似的,或许在早元古代时,板块构造活动( 包括板块的俯冲、洋内岩浆活动和陆--陆碰撞作用等)和地幔对流的运动学状况即可与现代岩石圈过程相比拟了。而太古代必定与显生宙的情况不同,是否出现板块构造还不清楚,如果太古代有蛇绿岩的话,也可能与现代蛇绿岩有所不同。需要提及的,也许古生代蛇绿岩与现代蛇绿岩有较大差异。
中国蛇绿岩分布广、时间跨度大(从前寒武纪直至新生代),这在世界各国都是少有的。近年来,在蛇绿岩的研究中也取得了许多成果,发现了不少蛇绿岩新线索,对蛇绿岩的成因与分类提出了自己的观点(例,王希斌等,1981,1987;肖序常等,1992;张旗,1992;张旗,1994;Xu et al.,1994;许继锋等,19961996;Feng et al.,1996;张旗等,1996,1999;许继锋等,(2001矿中,白文吉等(2001和侵位机制提供了新的认识。
地质过程中的化学作用,(杜建国等,1998;李延河等,2000)。
)
喜马拉雅构造域的东段,欧亚板块与印澳板块碰撞挤1984;王希斌等,1984;肖序常等,1984;鲍佩声等,19851992,1994;张旗等,1996,1999;左国朝,1996;孔祥儒等,1996;姚玉鹏等,;吕庆田,1997;朱介寿等,1997;汤懋仓等,1998;潘裕生等,1998;王成善等,1999;白文吉等,2001;赵政璋等,2001;)。以雅鲁藏布蛇绿岩为代表的雅鲁藏布江缝合带代表了印度和欧亚大陆两大板块最终结合的部位。
雅鲁藏布缝合带呈东西向的狭长带状,大致沿雅鲁藏布江谷地及其附近展布,包括雅鲁藏布蛇绿岩带、混杂岩带和高压低温变质带,它代表了东特提斯海最终闭合时板块俯冲碰撞时的直接产物。1980年http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef开始的中法喜马拉雅考察奠定了本区蛇绿岩带研究的基础(王希斌等,1984;肖序常等,1984;鲍佩声等,1985)。雅鲁藏布蛇绿岩带是目前中国已知的最大蛇绿岩带,也是雅鲁藏布构造缝合带的主体,在日喀则地段连续出露。该蛇绿岩带岩石类型发育较全,尤以日喀则地区剖面较为典型,自下而上(由南向北)依次为超镁铁岩、堆积岩、席状岩床和岩墙群、铁镁质火山熔岩、深海--半深海沉积(王
成善等,1999)。雅鲁藏布蛇绿岩包括了两套洋壳残体,一套以变质橄榄岩为主,形成于早白垩世;一套以放射虫硅质岩为主,夹有千枚岩、变基性火山岩和变辉绿岩,形成于晚侏罗--早白垩世。大竹卡蛇绿岩剖面底部变质橄榄岩与围岩接触处有热变质晕圈,其石榴角闪岩中角闪石的K-Ar年龄为81Ma,可能代表了蛇绿岩的侵位时间(王希斌等,1987);其蛇绿岩中钠长花岗岩的U-Pb(锆石)年龄为139Ma,可能是蛇绿岩形成时间(王希斌等,1987)。
雅鲁藏布江缝合带分布的蛇绿岩体,按其侵入特点大致有3种情况:一是在结合带闭合时发生仰冲而形成上冲混杂体,如昂仁—仁布一带、乃东、德布日等地的蛇绿岩;二是闭合时发生推覆,在陆缘构成纳布侵位体,如拉昂错附近的蛇绿岩;第三种是被构造肢解的小岩体,多夹持于混杂岩带之中。其中昂仁—仁布的蛇绿岩上冲混杂保存了较好的洋壳结构。吉定也弄蛇绿岩剖面层序为:变质橄榄岩、堆积杂岩、席状岩墙(床)物--钠长花岗岩。
变质橄榄岩主要有3辉橄榄岩—二辉橄榄岩,③方辉橄榄岩。地幔残余。变质橄榄岩的87Sr/86Sr为榄岩值相当。
堆积杂岩呈现出垂直分异特征,可归结为5—24倍,说明是分异晚期的产物;87Sr/86Sr比值为
蛇绿岩大致沿阿依松日居分布,与昂仁—仁布蛇绿岩带相当;南带蛇绿岩分布于昂拉错—霍尔巴一带,主要以地幔岩为主,其稀土含量高于北带一倍以上,接近球粒陨石丰度,配套的拉斑玄武岩稀土分配模式为平坦型,类似于洋脊玄武岩,总的特征类似于大洋中脊形成的蛇绿岩。因此,该缝合带的蛇绿岩难以归结为一条简单的扩张带,而可能存在复杂的构造背景和活动特点。其北带蛇绿岩代表着晚侏罗--早白垩世由陆缘裂谷扩张而成的小洋盆,南http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef带蛇绿岩则可能是从三叠纪开始扩张而形成的大洋洋壳带的遗迹。两者共同构成新特提斯的主洋壳带,总体呈现出洋壳亲缘型地体的性质。
)、雅鲁藏布地区稀有气体研究及存在的问题与解决办法
研究地质体的同位素地球化学特征可以从微观上更准确地揭示地质现象的演化过程,可以寻找和预测以前或现在尚未被发现的地质异常现象。如,地球上最大的同位素异常省—DUPAL的Sr、Pb同位素显著异常(Weis et al. 1991),蛇绿岩的同位素地球化学研究使人们逐渐放弃了蛇绿岩单一来自亏损软流圈地幔的观点。弧前蛇绿岩及弧后盆地不同演化阶段微量元素和同位素地球化学特征有助于我们理解蛇绿岩成因的多样性,蛇绿岩组合岩石中地幔岩的同位素地球化学研究将会促进部分熔融研究。但是,固体元素如Sr、Nd、Pb等元素同位素变化有时并不是明显的,而稀有气体尤其是He、Ar同位素与样品的产出层位、状态及地质时期有很好的相关性。
首次对阿尔卑斯--喜马拉雅褶皱带进行稀有气体研究的是Matveeva et al.(1978)。他们发现高加索地下流体的R(=3He/4He)值从3.1×10-8变化到0.9×10-5,即从放射性成因为主的变化到幔源He占优势。后来,Gazaliev and Prasolov(1988)、Prasolov(1990)、Lavrushin et al.(1996)作了进一步的研究。幔源He的流体中也报道过(Polyak et al.,1979;Hill et al.,1986)流体中常常含有较低R值的He:3×10-8——15×10-8()壳的大厚度和弱的岩浆活动是造成阿尔卑斯中低的RR值(<2×10-7)也是喜马拉雅造山带地下流体的典型值;et al.,1983;Zuhuang et al.,1986)。Yokoyama et al(-8略高的R值(=(16.8—30.8)×10)。R值变
化较大,这反映了岩浆脱气,R
但应用到蛇绿岩的研究中则寥寥甚少。ARESIBO(I)质谱计开展的(宋鹤彬,(赴法学习技术总结第二部分))。国外也细致的野外考察和岩http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef石学研究,2001)曾指出:雅鲁藏布江蛇绿岩我们
随着科学技132Xe≥1×10-13cm3STP/gMM5400上已完全解决。在取气方法上,目前有三种:(1)压碎法,(2)加热熔融法,
(3)激光微区(探针)熔融法。压碎法可以取出包裹体的气体,避开晶格中后期原地成因的气体的干扰,不足之处是只能取出80%的包裹体的气体(压碎不充分)。加热熔融样品可以使固体样品以分子游离态的形式动态平衡存在,除了包裹体的和岩石矿物裂隙的气体被释放出来之外,矿物分子间的和后期就地成因的晶格间的气体也会随所赋存介质的空间结构的变化而游离出来,整个体系中的气体遵循一定的分配定律而分别均一地分布在气——液两相中,该方法取出的气体是均一化的混合气,但由于包裹体的气体量一般远大于晶格中的气体总量,所以主要体现的还是包裹体的气体地球化学特征。为
了在加热方法中分别取出前期捕获的和后期就地成因的气体,人们提出了 “分步加热法” (Daniele et al., 2001;Honda et al.. 1992;Thomas et al. 1997;周世新和叶先仁,2002):由于流体包裹体一般具有较低的爆裂温度,因此其中的气体会在较低的温度步中释放出,晶格中的气体则在较高的温度步中释放出。也可以利用 “压碎——加热熔融法”相结合的方式来分别取出不同赋存空间的气体:先压碎取出包裹体中的气体,然后将压碎的粉末加热熔融。“分步加热法”和 “压碎——加热熔融法”虽可以弥补 “压碎法”和 “加热熔融法”的不足,但也有其不理想之处:第一,存在气体的热扩散;第二,高温不稳定矿物会在低温分解释放出其中的晶格气,这在全岩分析中会有影响。激光微区(探针)熔融法就是利用激光的集束性和高能性特点有选择地快速熔化岩石矿物的微小区域,可以对直径小于0.01mm的微区实施熔融取气而不毁及相邻区域,有针对性地精确释放所选微区的气体。该取气方法因有非常高的空间分辨率而得到迅速应用,但也有不完美之处:异,因此必须校准。中国科学院兰州地质研究所利用年9(探针)法即将见于文献。供了技术保障。
言:激光探针和
在气体地球化学国家重点实发现了地幔柱型的稀有气http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef体同位素组成模式。在He同位素组成,3He/4He平均值为
.359Ra1.104—3.384 Ra,平均为2.383 Ra;从东部的3He/4He由低变高。采于吉定的新鲜辉绿岩具有平均高达示高比值的He这种高比值的捕获的He证明雅鲁藏布江蛇绿岩的成因该构造带很可能出现过裂谷洋盆或未能发育成熟的深大裂谷带。
从Ar与He的同位素组成的耦合性中可以认为:辉绿岩可能与富含放射性成因4He、Ar
的壳源物质发生了交代,变橄岩则被富含大气来源稀有气体的地表下的流体所蚀变,玄武岩的交代对象更是二者兼而有之(具体内容见工作基础)。如果在这基础上进行系统而深入的研究,那么我们在关于特提斯洋的形成、发育和消亡机制及海洋地质理论上将会有重大突破!
年初,我们从蛇绿岩各组合岩石中获取到少量的单矿物,并对这些单矿物进行了稀有气体分析。结果也给出了远高于全岩的3He/4He值。为了深入探究雅鲁藏布蛇绿岩的成因环境,课题组已自筹经费计划2005年6月份再次进入西藏考察。
5)、该项目研究的切入点
最新文献资料显示,除了申请者及其研究小组正在气体地球化学国家重点实验室开放基金(批准号:2002-03WMB)的资助下开展蛇绿岩的稀有气体研究工作之外,国内外尚无其他人介入。不久前,申请者曾与国际知名的地球化学专家J Matsada(松田准一,日本大阪大学地球与空间科学系)联系过并请教了对前面提及的新发现的解释,他对此研究表现出浓厚的兴趣,并鼓励申请者继续做下去,等条件许可时将进行合作。有鉴于此,考虑到拟研究的蛇绿岩带规模巨大、岩石类型复杂、受构造制约明显,且岩带的西段和东段有差异,申请者及其研究小组经充分酝酿,确定项目研究切入点为:以日喀则为中心、沿缝合带向东西辐射(兼顾南北),以蛇绿岩套典型组合岩石为对象,以气体地球化学和岩石学研究方法为主(结合其它分析技术和研究方法),充分了解并消化前人研究成果,着重加强基础地质(特别是岩石学)工作,精确分析样品,将有意义的数幔楔相互作用的信息,化中的作用。在已有新发现的基础上,化学解释、给出其稀有气体模式,为进一步研究其侵位机制打好基础。
://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77befar6)、开展该项目研究的意义
申请者认为,化学研究,,对壳——有鉴于本研究组的新发现,上一个新阶段,
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、 项目的研究内容、研究目标,实施该项目的研究,其目的
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研究内容包括:
(1) 野外考察、采样及样品处理。
本申请项目计划工作区为雅鲁藏布江蛇绿岩中段(见上图),重点加强白郎和吉定之间的区域地质考察,跨越雅鲁藏布江南北采集岩矿样品,重点寻找和采集未变质的橄榄岩、辉绿岩、辉长岩、玄武岩和大洋斜长花岗岩等。
(2) 建立稀有气体同位素组成模式,判识新特提斯洋的形成环境。
利用高灵敏度专用质谱计MM5400以三种不同的实验方法(加热法、压碎法、激光微区法)精细测定各组合岩石和单矿物的稀有气体同位素组成;同时,运用年代学方法,阐述蛇绿岩各组合岩石及与相关岩石矿物的相互其次关系,从宏观构造学上提出新特提斯的形成模式。
(3) 阐明该区蛇绿岩成因多样性的深层次原因。
把蛇绿岩各组合岩石的大尺度稀有气体同位素特征与具体矿物微区的稀有气体同位素特征有机地结合、深入地剖析,解释蛇绿岩成因的微观多样性。
(4) 探讨壳—幔相互作用在古海洋扩张与消减过程中的影响。
壳—幔相互作用制约着板块运动。该作用包含了物理和化学过程,同时也涉及到热力学和动力学,期间的稀有气体同位素组成变化灵敏且各稀有气体间能相互印证,能有效指示海洋的扩展与消减。
(5) 热液变质作用的稀有气体同位素组成变化。
已有的研究表明,望找到变质作用的气体地球化学指http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef标。
本项目拟解决的关键问题是:
(1) 不同实验方法的结合
(2)
不同变质程度的岩石、机结合和深入剖析,作。
(3)
的研究。
(4)
、
本申请项目计划在资料调研和野外考察的基础上,稳步实施蛇绿岩的稀有气体同位素地球化学研究。
这里所包含的技术手段有:(1)样品鉴定。(2)样品中的稀有气体同位素分析。其中涉及到的研究方法有:气体地球化学研究、稳定同位素地球化学研究、岩石学研究、包裹体研究、构造学研究。申请者所在单位中国科学院兰州地质研究所气体地球化学重点实验室现有MM5400稀有气体同位素质谱计一台、VG5400稀有气体同位素质谱计一台、Nd-YAG激光器一台(已与MM5400稀有气体同位素质谱计联机)和CO2激光器一台,这
些仪器一直处于良好的运行状态中。仪器本身具有高分辨、高灵敏度、低本底的特点,
测量精度高,分析数据重复性良好。提取的样品气经物理和化学吸附方法进行净化、分离,然后用MM5400质谱计依次测定He、Ne、Ar、Kr、Xe含量及同位素组成,在技术上能保障研究顺利进行。该研究小组由具备扎实的岩石学基础和具有丰富野外考察经验的人员组成。按照设计的工作流程和完备的技术支撑,完全可以建立比较理想的稀有气体同位素组成模式;结合稀有气体的时空变化和已有的工作基础,在示踪该新特提斯洋成因环境的同时,利用微区稀有气体研究结果解释蛇绿岩成因的多样性;将动力学与地球化学变化结合剖析地球圈层间作用对海洋扩张与消减的影响。
所涉及的工作流程为:
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玄武岩也已经不同程度地变质,它们的He、ArHe同位素比值,揭示了其地幔
、
本项目的实施将在我国率先系统性地开展海洋构造环境演化的研究,特别是蛇绿岩带的稀有气体同位素组成及成因模式的研究,其技术创新之处在于用包括激光探针在内的多种实验手段结合MM5400稀有气体同位素专用质谱http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef计来分析He、Ne、Ar、Kr、Xe全稀有气体同位素组成;其研究创新在于将稀有气体同位素地球化学方法引入到蛇绿岩研究中,这就避开了复杂变质过程中化学过程的影响,使提取的有关地球科学的信息具有更高的可信度。这是一项开拓性的工作,该项目的实施不仅为海洋构造环境演化研究提供一独特的视角,而且开拓了稀有气体同位素地球化学的应用领域,对气体地球化学及相关研究领域的发展也将是一种较大的贡献。
、 年度研究计划及预期研究结果。
.1.— 2006.12. 野外考察和采集样品,同时收集查阅有关资料,撰写野外考察
报告;实验室内进行薄片分析和He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素组
成分析。
.1.— 2007.12. 补采样品,继续完成实验室内稀有气体同位素组成分析;总结
分析数据,建立稀有气体同位素组成模式,指出该新特提斯洋
的形成环境;宏观研究稀有气体同位素特征,讨论蛇绿岩成因
的多样性;发表部分研究报告;争取与日本的有关学者建立国
际合作关系。
.1.— 2008.12. 究和野外考察相结合,
预期研究结果:
(1) (2)
(3)
(4)
(5) SCI论文3篇以上。
、
了解并注意跟踪He、Ar建立了固体样品中稀有气体同位素分析方法,项目组在学科方向上强调多学科交叉互补,
在实验技术方面,本所自八十年代中期以来一直在国内独家承担稀有气体同位素的分析测试工作,建立的实验方法具有相当高的可行性和可靠性。
为了做好该项目,该项目组已做了大量的前期工作,有良好的工作积累。该项目组在完成辽宁宽甸新生代火山岩及地幔岩包体中He、Ne、Ar、Kr、Xe元素及其同位素组成的研究之后,又在国内相继开展了雅鲁藏布缝合带的稀有气体的初步研究、西部某大型镍矿成因的稀有气体研究、塔里木盆地深层碳酸盐岩的稀有气体研究,并取得了许多新的认识(塔里木盆地深层碳酸盐岩的稀有气体研究部分http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef成果已在2002年的《科学通报》上发表)。在这里,将对雅鲁藏布蛇绿岩的稀有气体研究的初步认识简述如下:
本次测试与研究的样品产于以下几个地区:拉孜(WL—1)、吉定(WJ—1,2,3)、下鲁(WX—4,5)、
白郎(WB—1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)、大竹(WD—1)、大竹卡北侧(WDC—1,2,4,5)、仁布(WR—1,2,3,4)。岩石类型包括变橄岩(蛇纹岩)、辉绿岩和玄武岩。
. 分析数据的质量评定
本次工作在雅鲁藏布江蛇绿岩中发现了地幔柱型He,这在该地区是首次,因此,很有必要对数据的质量进行评估。
表2. 稀有气体同位素测定结果对比a
样品地区
夏威夷
He(10cmSTP/g) Ar(10cmSTP/g)R/Ra Ar/Ar 0.23—0.56/0.41 ------ 8.93—9.07/9.00 ------ Ar/Ar 数据来源 ------ 文献[4] 0.078 ------ 9.0(1) ------ ------ 文献[5] 0.109—0.344/0.254 ------ 8.60—9.15/8.86 ------ ------ 文献[6]
.0962 ------ 9.035(59) ------ ------ LZG-CAS
日本
Dogo
新疆可可托海
(HIS-1-230)
新疆可可托海
(HIS-1-155)
澳大利亚
(HIS-2-192)
澳大利亚
(HIS-2-078)
吉定
(WJ-1) 0.007—0.0122/0.0096 0.025,0.045 2.0—4.6/3.3 0.185, 0.193 文献[7] 0.0945 9.42 4.002(36) 19.7 3.07 19.9 3.61 19.8 3.02 LZG-CAS 16.9 16.2 LZhttp://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77befG-CAS ------ LZG-CAS LZG-CAS 17.1 16.3 LZG-CAS ------ CAGS 490.7(50) LZG-CAS 说明:a. 1σ偏差。
. 夏威夷HualalaiOki-Dogo的二辉橄榄岩由吴茂炳提供;HIS(锂辉石)系列样品由李延河提供;吉定(辉绿岩)c. 0.23—0.56/0.41表示最高值是
. LZG-CASCAGS
[3]中有详细的讨论。质谱计重复测定了日本的Oki-Dogo岛的地幔岩二辉橄榄岩和夏威夷的其结果对比列于上表中。结果表明,虽然样品在气体组成上质谱计给出的同位素组成数据与国际其他实验室报道的相应
系列样品中,同一样品的重复测定,具有良好的重现性。本文所调研的吉定辉绿岩(WJ-1)还送至中国地质科学院
. He同位素组成与分布特征
玄武岩:大竹卡北侧的2个玄武岩样品(WDC—4、WDC—5)的R值小于Ra。白郎的6个玄武岩样品的R值均高于大气值且相互比较接近,平均R值为5.359Ra. He含量也具有相似的特点:大竹卡北侧的样品的He含量最高,而白郎的6个样品He含量较低且相互接近,平均值为4.27×10-12mol/g. 玄武岩的He含量和He同位素比值均低于MORB值(MORB的3He/4He典型值是8Ra,含量一般在1×10-11—1×10-9之间)。
变橄岩:分别采集于仁布(WR—1,WR—2)、白郎(WB—2,WB—3)、下鲁(WX—4)和拉孜(WL—1)。
最低的见之于日喀则西变橄岩的He含量差异较大,最高的样品产于日喀则东部的仁布(2.18×10-11mol/g),
部的拉孜(0.0713×10-11mol/g),但其R值均高于大气值且变化不大,范围为1.104—3.384 Ra,平均为2.383
Ra。
辉绿岩:样品分别产于仁布、大竹卡北侧、大竹、白郎、下鲁和吉定。除吉定样品(WJ—1、WJ—2、WJ—3)外,其余的均具有比变橄岩和玄武岩都http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef要高的He含量,平均含量为3.43×10-11mol/g。大竹卡北侧的2个辉绿岩的He同位素比值小于大气的,分别为0.365 Ra和0.7295 Ra;仁布和大竹的略高于大气值,向西到下鲁和白郎则变得较高,但采于罗布桑北部的样品(WB—1)的R值为0.3311 Ra.
特别要提到的是吉定辉绿岩,它们都有很高的R值,3块样品的He同位素比率分别为31.63Ra、31.87Ra和32.21Ra,平均高达31.57Ra,该值接近于在夏威夷发现的代表地幔柱环境的高比值。分段加热给出的R值比冰岛地幔柱环境的值37.7Ra还要高。
. Ar同位素特征
为<, /FONT>4165.8。变橄岩的40Ar/36Ar在所研究的样品中,最高的40Ar/36Ar比率出现在大竹卡北侧的玄武岩中,
比率变化较小,介于321.1—295.2之间,平均为306.2,略高于大气值。除吉定辉绿岩之外,所有的辉绿岩具有较高的40Ar/36Ar比率且相互差异不大,其总体趋势是:Ar含量越高,40Ar的比值体现了后期放射性成因的40Ar的积累,Ar具有比较均一的Ar含量和比较一致的40Ar/36Ar值,其变化范围(,与变橄岩的接近。在分布加热中,Ar的释出主要集中在低温段的70040Ar/36Ar是349.0,表明辉绿岩源区具有低的40Ar/36ArAr/36Ar,这是后期放射性成因40Ar40ArK含量较低是相吻合的。
. He的来源
地球在形成演化过程中,He同位素特征可以将固体地球划分为53He的OIB(又称低3He的OIB区)、MORB区、壳源区。
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此次研究,在吉定的3个辉绿岩样品中观测到了非常一致的高R值,这种高R值的稀有气体主要发现于有地幔柱活动的热点区。Kurz等曾用破碎法从产于Galapagos热点的玄武质熔岩流样品中得到了27.4Ra的He同位素比值,随后将压碎之后的粉末熔化得到了大于170Ra甚至高达1177Ra的R值,这一方面体现了Galapagos的热点特性,同时又揭示了该熔岩流受到强烈的宇宙射线作用,产生了大量的宇宙成因http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef3He。与这种热点不同,吉定辉绿岩属于浅成侵入岩,且所处的位置也比Galapagos热点的纬度高,并未经历过宇宙射线长期地、强烈地辐射,所以宇宙成因3He的影响不大。辉绿岩是贫锂低钾的,因此
经核反应6Li(n,α)3He生成的核成因3He也不可能造成辉绿岩的高R值。为了更详细地了解这种高R值的He在辉绿岩中的赋存区域,对其实施了分段加热法,结果在低温段(700℃)释放出的气体具有比全岩样品还要高的R值,该温度远未达到辉绿岩的熔点,显然这是岩石样品中流体包裹体破裂所释放的,而这种包裹体是岩石矿物结晶时从岩浆中分异出来的。这说明岩浆源区的流体具有高R值特征。结晶后形成的放射性成因或核成因和宇宙成因的He赋存于结晶体的晶格中,一般在高温段释放。在高温段,我们检测到仅1.761Ra的He同位素组成,这表明晶格中的He主要是放射性成因的,也不是宇宙成因的,这种放射性成因的低R值的He与残留的高R值的He相混合就造成了高温段释出气具有相对较低的R值。吉定辉绿岩中这种高R值He的存在也得到其它仪器测定的确认:2002年5月,中国地质科学院矿产资源研究所给出了该样品的重复测定值,结果显示其R值是30.0Ra,He含量为4.9×10-12mol/g,其中He含量略高于我们实验室测定的结果。考虑到固体样品中微包体分布的不均一性,可以认为该样品的重复测定结果非常一致。吉定蛇绿岩位于雅鲁藏布江缝合带中段,是我国蛇绿岩剖面发育较完整的少数剖面之一,岩包含的地幔柱型He指明了该古洋壳的地幔柱参与。在He之外,其余数据点几乎都投射在与消减有关的洋岛或岛弧区(又称低3OIB一现象的原因是由于壳源物质的加入。
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图3. He同位素比值
图3He同位素结果。从图中可以看到,在低温步释放的气体的HeHe同位素比值均在12Ra值低于8Ra,但仍然掩盖不了其深部地幔柱作用的成因。
. He、Ar
、Ar这是因为它们在地质过程中具有相似的行为。在3He/4He — 40Ar/36Ar图中(,3个辉绿岩样品数据全部位于地幔柱型区域,其余的辉绿岩投影点偏向放http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef4He和40Ar的加入。变橄岩数据点全部分布在地幔端员与大气的混合线附近,这个地幔源区是地幔柱还是MORB尚难以确定,但更接近地幔柱。白郎的玄武岩主要位于MORB和大气的混合线之下,这体现了后期放射性成因同位素加入的影响;大竹卡北侧的2个玄武岩受到放射性成因He、Ar的影响更大。产于这两个地方的玄武岩在图中各自圈定了自己的区域,似乎表明二者在成因上不同:大竹卡北侧的玄武岩可能被壳源物质所混染。
白郎的玄武岩表观上看好象是直接来源于MORB源区,但其40Ar/36Ar比率远低于MORB源区值(≧20000)。如果我们假定白郎玄武岩是MORB岩浆所形成的,后期因交代变质作用而受到具有接近大气型Ar的热液改造,则可以认为白郎玄武岩中的MORB型Ar几乎被后期次生Ar完全改造,He虽然被改造的程度弱于Ar的,但也会同时受到改造。然而,它们的He同位素比值仍然远高于大气值,由此可以推测:白郎玄武岩的初始R值高于8Ra,很可能也在热点值附近。这反过来又说明白郎玄武岩的MORB起
源的假设可能不成立,它更可能与吉定的辉绿岩一样都是地幔柱成因的。
. 岛弧环境下地幔柱作用的He同位素响应
虽然在有关雅鲁藏布江蛇绿岩的岩石学和有限的地球化学研究中,有很多证据表明其可能形成于岛弧环境,玻安岩的产出也为其岛弧成因作了岩石学注解,但并不排斥有深部地幔柱的影响。
夏斌曾提出过特提斯洋蛇绿岩形成演化的模式:特提斯洋的形成与多个地幔柱组成的扩张中心有关,这些扩张中心连在一起形成线状或锯齿状分布的大洋扩张脊或转换拉张断层带。后来,由于受到来自印度板块向北漂移的巨大推挤力作用,使发育不很成熟的特提斯洋盆俯冲消亡,进而增生了雅鲁藏布江蛇绿岩带。由于没有相应的证据,该观点一直没有引起重视。随着研究的深入,雅鲁藏布江蛇绿岩形成环境的真面目逐渐被人们所认识,即:该蛇绿岩所代表的古洋壳决不是简单的岛弧背景,它的形成与地幔柱作用紧密相关。在同属于雅鲁藏布江蛇绿岩带的罗布莎岩体中发现的超高压矿物及其爆炸结构更是印证了地幔柱活动的存在。日喀则地区蛇绿岩的铂族元素(PGE)特征也与世界范围内一些典型蛇绿岩中地幔橄榄岩及阿尔卑斯型地幔橄http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef榄岩的不同,其PGE观察到的负斜率型或平坦型,而以PGE总量高,Pt、Pd、Ru、Ir)。与消减作用具有紧密联系的弧—气的严重污染。然而,岛弧熔岩的He同位素组成却与He对地幔楔的超镁铁捕虏体中仍然发现了深部地幔的超级地幔柱的HeHe40Ar/36Ar比值均不超过800(平均为463.7)。盆地的年轻玄武岩玻璃体中也曾发现过Samoa垂直通道在至少700km扩张作用下而改变了其运移通道。
He/4He比值普遍低于大气值,且从40.00296Ra增加到0.645Ra. 从其地幔捕虏体方辉橄榄岩3He/4.42Ra和1.49Ra,反映典型的岛弧环境特征,而且日喀则超镁铁岩的单矿物或斑晶应具有比其全岩更高的R值,很可能高于34He)。这有待进一步的深入研究。
(说明:由于篇幅有限,部分图件、数据表和参考文献省略。)
、
手段,而且还有系列化的地球化学大型分析仪器,比如X荧光光谱仪、MAT271质谱计(测定组分)、MM5400和VG5400(均为静态稀有气体同位素质谱计)、Nd-YAG激光器(已与MM5400稀有气体同位素质谱计联机)和CO2激光器等。该申请项目使用的主要仪器是MM5400稀有气体同位素质谱计或VG5400稀有气体同位素质谱计。目前,MM5400和VG5400状况良好、运行正常,这为本项目的完成提供了良好的客观条件,分析所需的机时完全有保障。用于对比研究的Sr、Pb同位素组成测定计划外送分析,且分析机时已落实。
、 申请人简历
叶先仁,男,39岁,硕士学位,副研究员,1987年毕业于兰州大学,1997年毕业于中国科学院兰州地质研究所,现正攻读博士学位。长期从事稀有气体地球化学研究,掌握了国际上该领域的研究进展并能及时跟踪其发展前沿,精通稀有气体同位素分析技术和方法,能独立创建新研究方法,并在固体物质中稀有气体地球化学研究领域取得了突出的成绩,在国内首次建立了固体样品中He、Ar同位素一次性测试方法,首次进行了(大别山)榴辉岩单矿物的稀有气体同位素地球化学研究,因其出色的工作而荣获1997年度中国科学院院长奖学金优秀奖。2000年4月,http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef在国内首次完成了“岩矿样品中He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素分析”实验方法,并用该方法开展了辽宁宽甸新生代火山岩、雅鲁藏布蛇绿岩、大型镍矿等稀有气体同位素的研究,得到了许多新的认识。2001年,又在国内首次建立了“岩矿样品中He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素的激光微区分析”实验方法,并用该方法开展了含油气盆地碳酸盐岩中稀有气体同位素特征与油气运移的时空关术思想和创新意识。曾参加过“九.源岩成烃演化的实验地质学研究》(课题编号为:研究》(课题编号为:GK946-24)岩气体地球化学研究》(课题编号:49273185)、素组成与成因》(课题编号:49972081)体地球化学实验室开放基金项目研究》(课题编号:SJJ-01-03
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杜丽,女,工程师,硕士学位,1963年生,19http://www.wendangwang.com/doc/1d7135a18b32390ae2e77bef88金、国家攻关等多项课题,发表论文和撰写报告近同位素的分析工作,同时还负责样品的处理。
余传鳌,男,硕士生。1981年8月生,,2004设想”获2001年全校科技论文三等奖;动力学基础”获2003并获得过32稀有气体同位素分析等工作。
、 2002-03WMB,气体地球12003年12月,是本申请项目的预研究,已结题。
万元。其中测试费8.8万元,利用依托单位的仪器设备分析80元;会议/差旅费9.8万元,6人次野外考察(进入雅鲁,6人次学术会议;出版物等信息费3.84.5万元,主要用于熔样钼坩埚和钽坩埚(属于稀有金属材料),为了保障项目及时完成,还必须预备分析易耗件;为了用破碎法完成微量样品的稀有气体同位素检测,最好再加工微型碎样器(已经自行研制定型了);协作对外送检代表性的样品需要2.0万元。
、国际合作与交流费5.0000万元。主要是与国际在该领域研究水平较高的美国和日本学者合作。
、劳务费1.8000万元。主要用于样品采挖、搬运和参加项目的研究生劳务支出。
、管理费2.2000万元。按照5%的比例计。
、为了及时开展工作,项目组已自筹经费4万元做前期工作。
(四)导师推荐信
稀有气体及其同位素组成的特殊性越来越广泛地应用到地球科学研究的各个领域,已成为地学研究中的热点,但在我国开展的仍很不够,很有必要加强该方向的投入。
申请人利用高灵敏度专用质谱计精细测定各组合岩石的稀有气体同位素组成,可以建立稀有气体同位素组成模式,从宏观构造学上提出新特提斯的形成模式;把蛇绿岩各组合岩石的大尺度稀有气体同位素特征与具体矿物微区的稀有气体同位素特征有机地的扩展与消减机制的灵敏示踪作用,热液变质作用的稀有气体同位素响应及参数指标。洋的形成、发育演化的机制,对固体地球科学研究产生大的影响。
了解国际上该领域的研究进已发表近20资助。