高精度鋇同位素分析方法及上地殼和大洋玄武巖的鋇同位素研究.pdf

1、近十幾年來，隨著高靈敏度多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)的廣泛應(yīng)用，穩(wěn)定同位素分析方法取得重大突破，非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)的地質(zhì)應(yīng)用也因此得到快速發(fā)展。鋇是堿土金屬元素，在地幔部分熔融過程中高度不相容，因此地殼中的鋇含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地幔。Ba還是流體活動(dòng)性元素，在板塊俯沖過程中，地殼物質(zhì)中大量的Ba會(huì)隨著流體釋放加入到地幔楔中。因此，Ba元素可以用來示蹤與俯沖有關(guān)的流體活動(dòng)。此外，利用海洋沉積物中Ba的積累速率還可以制約古

2、海洋輸出生產(chǎn)力。
　　實(shí)驗(yàn)研究和自然觀測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界高溫和低溫過程中都可以發(fā)生Ba同位素分餾，預(yù)示著Ba同位素作為新的工具示蹤地球化學(xué)過程的重要前景。開展Ba同位素地球化學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)是建立高精度的同位素分析方法和確定地球重要儲(chǔ)庫的Ba同位素組成。但是，已有研究在以下兩方面存在不足:(1)缺乏統(tǒng)一的“δ-0”Ba同位素國際標(biāo)樣以及對(duì)多種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Ba同位素組成的大量重復(fù)測(cè)量，這不利于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比和對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià);(

3、2)缺乏最基礎(chǔ)的對(duì)地球重要儲(chǔ)庫的Ba同位素組成特征的制約。本論文中，我們先對(duì)Ba元素的基本地球化學(xué)特征和Ba同位素地球化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行介紹，并總結(jié)了Ba同位素地球化學(xué)的研究現(xiàn)狀。之后，針對(duì)上述問題，詳細(xì)說明了我們建立的高精度Ba同位素分析方法，以此為基礎(chǔ)，我們對(duì)大陸上地殼和大洋玄武巖的Ba同位素組成進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　考慮到自然界樣品特別是地質(zhì)樣品的復(fù)雜性，我們?cè)谇叭嘶A(chǔ)上對(duì)化學(xué)流程進(jìn)行改進(jìn)，采用2mL的AG50W-X12樹脂以期

4、望獲得更純的鋇溶液，并檢測(cè)了不同巖性和不同上樣量對(duì)淋濾曲線的影響。采用MC-ICP-MS進(jìn)行Ba同位素測(cè)試，并通過“樣品-標(biāo)樣間插法”校正儀器測(cè)量過程中的質(zhì)量相關(guān)分餾。我們做了各種條件實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)可能影響B(tài)a同位素測(cè)量精確度和準(zhǔn)確度的各種因素，包括MC-ICP-MS測(cè)量過程中樣品和間插標(biāo)樣之間的酸度不匹配和濃度不匹配，以及基質(zhì)效應(yīng)等。Ba同位素的結(jié)果相對(duì)于純Ba標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)SRM3104a報(bào)道，表示為δ137/134Ba(‰)=[137/13

5、4Basample/137/134BaSRM3104a-1]×1000。添加了基質(zhì)元素的SRM3104a的長期測(cè)量結(jié)果為0.005±0.047‰ (2SD，n=36)，與推薦值在誤差范圍內(nèi)完全一致。利用建立的Ba同位素分析方法，我們對(duì)碳酸鋇標(biāo)樣IAEA-CO-9、8個(gè)國際巖石標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和兩個(gè)晚中生代玄武巖樣品進(jìn)行了Ba同位素重復(fù)測(cè)量。其δ137/134Ba值分別為:IAEA-CO-9，0.017±0.049‰ (2SD，n=13); BC

6、R-2，0.050±0.039‰(2SD, n=13); BHVO-2,0.047±0.028‰ (2SD,n=22); JB-2,0.085±0.035‰(2SD, n=19); W-2, 0.035±0.022‰ (2SD,n=11); AGV-1, 0.047±0.040‰(2SD, n=11); JA-2, 0.038±0.048‰ (2SD, n=17); RGM-1, 0.142±0.030‰ (2SD,n=1 5); GS

7、P-2，0.013±0.046‰ (2SD，n=15)。兩個(gè)玄武巖樣品（MZ815和MZ834）的δ137/134Ba分別為-0.132±0.020‰和0.001±0.034‰。這些火成巖樣品Ba同位素的變化達(dá)到了0.274‰，遠(yuǎn)大于本實(shí)驗(yàn)室δ137/134Ba測(cè)定結(jié)果的長期外部精度(0.05‰，2SD)，表明Ba同位素具有示蹤高溫地質(zhì)過程的應(yīng)用前景。本工作確定的多種火成巖標(biāo)樣的Ba同位素推薦值對(duì)未來各個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比具有重要參

8、考意義。
　　利用建立的高精度Ba同位素分析方法，我們對(duì)71個(gè)花崗巖、黃土、河流沉積物和冰磧巖樣品進(jìn)行Ba同位素測(cè)量，來研究大陸上地殼的平均Ba同位素組成特征。結(jié)果顯示，佛岡復(fù)式巖體I型花崗巖的δ137/134Ba變化范圍為-0.16‰～0.01‰，其變化可能由巖漿演化后期富Ba礦物的分離導(dǎo)致;大容山-十萬大山S型花崗巖δ137/134Ba的變化范圍為0.03‰～0.11‰，可能反映了源區(qū)混合過程;南昆山A型花崗巖δ137/134

9、Ba變化范圍為-0.47‰ ～-0.33‰，可能反映了巖漿演化后期富Ba礦物的分離或者源區(qū)同化了富集輕Ba同位素組成的地殼物質(zhì)。黃土具有相對(duì)均一的Ba同位素組成，δ137/134Ba質(zhì)量加權(quán)平均值為0.00±0.03‰(2SD，n=18)，可以用來制約大陸上地殼的平均Ba同位素組成。河流沉積物δ137/134Ba的加權(quán)平均值為-0.01±0.06‰ (2SD，n=3)，與基于黃土和花崗巖計(jì)算所得的UCC平均Ba同位素組成一致。冰磧巖具有

10、較大的Ba同位素組成變化范圍(δ137/134Ba為-0.19‰～0.35‰)，低Ba含量和高CIA樣品具有高度變化的δ137/134Ba表明化學(xué)風(fēng)化過程會(huì)導(dǎo)致Ba同位素分餾。整體上，大陸上地殼具有高度不均一的Ba同位素組成，本工作首次給出了大陸上地殼的平均δ137/134Ba=0.00±0.03‰ (2SD/√n，n=71)。該平均值明顯輕于海水組成(δ137/134Ba=0.2～1.0‰)，為示蹤地表圈層中Ba循環(huán)提供了重要參數(shù)。<

11、br>　　為了制約地幔的Ba同位素組成，本工作對(duì)地幔部分熔融的產(chǎn)物——大洋玄武巖開展了系統(tǒng)的Ba同位素研究。測(cè)定結(jié)果顯示，26個(gè)來自不同大洋洋脊的MORB的δ137/134Ba變化范圍為-0.05‰～0.08‰。根據(jù)La/Sm的變化，進(jìn)一步劃分為N-MORB（19個(gè)）和E-MORB（7個(gè)），其Ba同位素組成變化范圍分別為-0.03‰ ～ 0.08‰和-0.05‰ ～ 0.08‰。5個(gè)勞盆地BABB的δ137/134Ba的變化范圍為0.0

12、1‰ ～ 0.06‰。60個(gè)夏威夷OIB的δ137/134Ba組成變化范圍更大，為-0.08‰～0.15‰。由于Ba在地幔熔融過程中極度不相容，在熔融比例1％時(shí)，即有超過99.9％的Ba進(jìn)入熔體中，因此部分熔融過程中不會(huì)產(chǎn)生Ba同位素分餾。同時(shí)，這些大洋玄武巖的δ137/134Ba與巖漿演化的指標(biāo)，例如MgO含量、CaO/Al2O3等并無任何相關(guān)性，表明分離結(jié)晶過程也不導(dǎo)致Ba同位素分餾。因此，本工作中大洋玄武巖的Ba同位素組成反映了其