12-稀有氣體同位素地球化學(xué)

1、第十三章稀有氣體同位素地球化學(xué),第一節(jié) 稀有氣體同位素地球化學(xué)研究概述,稀有氣體，即氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr) 、氙(Xe)和氡(Rn)，又稱惰性氣體，系指化學(xué)元素周期表中的零族元素，以化學(xué)性質(zhì)不活潑和在地球中含量稀少為特征。,正由于它的化學(xué)惰性和少的含量，稀有氣體被發(fā)現(xiàn)、研究和應(yīng)用都較晚。隨著分析測(cè)試技術(shù)水平的提高，人們對(duì)稀有氣體的物理化學(xué)性質(zhì)有了較深的認(rèn)識(shí)。近三四十年來(lái)，稀有氣體同位素地球化學(xué)作為地球

2、化學(xué)的一個(gè)分支，在地質(zhì)領(lǐng)域研究與應(yīng)用日廣，特別是在地球起源、形成、演化以及巖礦成因、來(lái)源的研究中被廣泛應(yīng)用。,稀有氣體元素是在1894—1900年間陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的。Argon，意為“懶惰”的意思，中譯名為”氬”。Helium，意為“太陽(yáng)元素” ，中譯名為“氦” 。Krypton，即“隱藏”之意，它隱藏于空氣中多年才被發(fā)現(xiàn)，中譯名為“氪” 。,Neon，意為“新的”，即從空氣中發(fā)現(xiàn)的新氣體，中譯名為“氖”。Xenon，意為“陌生的”，

3、即人們所生疏的氣體。中譯名為“氙”。Radon，意為“放射的”，中文音譯成“氡”1991年，全國(guó)自然科學(xué)名詞審定員會(huì)公布的《化學(xué)名詞》中正式規(guī)定，把惰性氣體改稱為稀有氣體。其理由在于惰性氣體的“惰性”是相對(duì)的。,一、 稀有氣體同位素地球化學(xué)研究現(xiàn)狀,稀有氣體中，以He、Ar同位素在地質(zhì)學(xué)中應(yīng)用最早，范圍最廣，研究也最深入。He具兩種穩(wěn)定同位素： 3He 和4HeAr有三種穩(wěn)定同位素：40Ar、38Ar、36ArHe、Ar同位

4、素比值被用于追溯巖漿起源、地球分層等問(wèn)題。目前已對(duì)大氣、地殼、上、下地幔等不同來(lái)源物質(zhì)的He、Ar同位素組成有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。,相對(duì)于He、Ar，Ne、Kr、Xe、Rn的研究進(jìn)展在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間是緩慢的。特別是放射性的Rn，因其極微而難以測(cè)定的含量，目前研究極少。而Ne、Kr、Xe的研究在近年卻呈一種蓬勃之勢(shì)，但對(duì)它們?cè)诘厍蛑凶饔门c意義認(rèn)識(shí)分歧明顯?？傊?，稀有氣體研究的總趨勢(shì)是：He、Ar研究趨于成熟，Ne、Kr、Xe進(jìn)展迅速。,二

5、、稀有氣體同位素比值的意義及應(yīng)用領(lǐng)域,由于極微的含量，稀有氣體元素用直接測(cè)試數(shù)據(jù)有一些缺陷：如表述不便，分析精度影響顯著，極難發(fā)現(xiàn)規(guī)律性等。因而稀有氣體分析中應(yīng)用更多的是其同位素比值，這種方式運(yùn)用最廣，可在一定程度上克服上述缺陷或不足。這些比值被用于分析地球中的多種問(wèn)題，如：,3He/4He等用于區(qū)分構(gòu)造環(huán)境，探討地球圈層結(jié)構(gòu)；3He/20Ne-4He/20Ne計(jì)算地幔氦輸出量； 3He/4He、20Ne/22Ne、21Ne/22

6、Ne、 40Ar/36Ar及Xe同位素等追溯物質(zhì)源區(qū)；40Ar/39Ar，40K/40Ar，U-Th/4He等用于巖體的測(cè)年；,3He, 21Ne（宇宙射線生氦氖） 計(jì)算火山巖的暴露年齡及侵蝕率；4He/40Ar*(放射源)討論巖漿房深度； 40Ar/36Ar等用于大氣混染程度分析，等等。,大洋玄武巖,大洋玄武巖,大洋玄武巖,近些年來(lái)，稀有氣體與其它元素的相互關(guān)系，也有一些嘗試性探討問(wèn)世，如：稀有氣體與油氣、巖漿中主要揮發(fā)分CO

7、2、H2O、N2等的比值關(guān)系的討論；稀有氣體與C、O等穩(wěn)定同位素的綜合研究；稀有氣體與Cu、Ag、Au等金屬礦床成礦熱液的關(guān)系；,不同構(gòu)造環(huán)境幔源巖中稀有氣體與微量元素Nd、Sr、Pb等的關(guān)系，等等。這些研究對(duì)了解巖漿作用過(guò)程中不同元素間的相互作用、解決礦體的來(lái)源、礦床受混染情況及分析對(duì)比不同構(gòu)造環(huán)境等提供了依據(jù)。,三、定性研究日趨深入，定量模型初步建立,稀有氣體在地質(zhì)學(xué)中的研究，直到目前仍處于定性探討為主的地步。目前人們注意力集

8、中于巖漿溯源、構(gòu)造環(huán)境分析、地球圈層劃分、礦體與稀有氣體關(guān)系等問(wèn)題的探討之中。,隨著理性認(rèn)識(shí)的提高，以及越來(lái)越多數(shù)據(jù)的積累，為初步建立稀有氣體在地質(zhì)過(guò)程中的定量模型奠定了基礎(chǔ)。如：地幔稀有氣體分餾作用稀有氣體在特定構(gòu)造中的排氣量稀有氣體與大氣演化，等等上述領(lǐng)域定量模擬計(jì)算是這類研究的典型例子。,第二節(jié) 地球稀有氣體的源區(qū),一、地球稀有氣體源區(qū)劃分 由于輕稀有氣體元素He、Ne、Ar同位素組成在不同成因巖石中差異明

9、顯，在地質(zhì)學(xué)中應(yīng)用廣泛，研究也較深入。Kaneoka等根據(jù)He、Ar同位素比值將地球上稀有氣體分為四個(gè)終極源區(qū)：,以大氣稀有氣體同位素組成為特征。3He/4He為1.4×10-6（記為Ra） 40Ar/36Ar=295.5 20Ne/22Ne值為9.8,大氣型（A）,地殼型（C）,以地殼各類巖石、礦物、油氣等流體為代表。3He/4He為2×10-8 40Ar/36Ar= 295.5～10420Ne/

10、22Ne值分布范圍廣,以大洋中脊玄武巖為代表，又稱MORB型。3He/4He為1.1×10-5（約8.0Ra）40Ar/36Ar= 295.5～10420Ne/22Ne值12.5/13.8,大洋中脊玄武巖(M)型,地幔羽型（P）,以洋島玄武巖為代表，又稱 OIB型。 3He/4He值大于8.0Ra40Ar/36Ar= 295.5～10420Ne/22Ne值12.5/13.8,二、幔源巖中的稀有氣體同位素比值與構(gòu)

11、造環(huán)境,1、He同位素：He是稀有氣體中研究最多、應(yīng)用也最廣泛的氣體。地球不同源區(qū)中He同位素明顯不同，這使得He同位素成為目前最有效的地球化學(xué)示蹤劑之一。,大洋中脊玄武巖（MORB）,大洋中脊是稀有氣體研究最多的地區(qū)，目前已對(duì)大西洋中脊、東太平洋隆起和印度洋中脊等地區(qū)的玄武巖做了大量的研究工作，并取得了極有意義的成果。,大洋中脊玄武巖玻璃3He/4He,上述研究表明，大洋中脊玄武巖（MORB）具有相對(duì)穩(wěn)定的He同位素比值：3He/

12、4He≈1.1×10-5，相當(dāng)于大氣該比值（記作Ra）的8.0倍左右，這一比值被看作上地幔端元值。采自大西洋中脊的爆裂巖樣2ΠD43 （1985），孔隙度可達(dá)17%，被認(rèn)為是最具代表性的地幔巖石，具典型的大洋中脊玄武巖型3He/4He值，即約8.0Ra。,對(duì)146個(gè)MORB樣品的He同位素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析表明，其中3He/4He=7.0~10.0Ra者為131個(gè)，約占統(tǒng)計(jì)總數(shù)的90%，表明MORB具非常一致的He同位素

13、組成。,,不同構(gòu)造環(huán)境幔源樣品He同位素,目前已對(duì)若干3He/4He值較MORB端元值高的地區(qū)作了研究，這些地區(qū)多屬地球上的熱點(diǎn)區(qū)，如Hawaii、Iceland、Samoa、Reunion等地區(qū)。大洋熱點(diǎn)區(qū)主要存在兩類幔源巖：玄武巖（OIB）及其包體，它們被認(rèn)為主要源自地幔羽或下地幔，但也常有上升過(guò)程中混合的上地幔、地殼組分。,洋島玄武巖（OIB）,已有的研究表明，OIB及其地幔包體的3He/4He值分布范圍極大，從低于大氣值到高于

14、MORB值都有。統(tǒng)計(jì)表明，OIB中3He/4He值介于7.0~10.0Ra者僅約18%，而高于10.0Ra者占65%，其中高于20.0Ra的比例為21%，大量高3He/4He值的出現(xiàn)表明這些物質(zhì)主要來(lái)自深部源區(qū)。Hilton等最近在Iceland幔源巖中發(fā)現(xiàn)37.0Ra以上的3He/4He值，是目前已知熱點(diǎn)區(qū)的最高值。,,不同構(gòu)造環(huán)境幔源樣品He同位素,總體而言，消減帶幔源巖的3He/4He值略低于MORB，也有類似或略高于MORB

15、的值，如巴布亞新幾內(nèi)亞幔源巖3He/4He值為2.02~7.53Ra；印尼島弧為1.1~8.8Ra；馬里亞納海溝為6.71~7.36Ra。分析表明，介于1.0-7.0Ra的3He/4He值在溝弧區(qū)居于支配地位，約占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的62%；7.0-10.0Ra者占37%。,消減帶幔源巖,,不同構(gòu)造環(huán)境幔源樣品He同位素,消減帶3He/4He值的變化與地幔、大氣、地殼及地幔羽等多種源區(qū)的相互作用有關(guān)，低3He/4He值顯然與古板塊俯沖可能帶入的

16、大氣、地殼物質(zhì)的混染有關(guān)；而高于MORB的3He/4He值通常被解釋為地幔羽物質(zhì)的存在，如日本島弧即有高達(dá)12.0Ra的3He/4He值出現(xiàn)。,就大陸而言，隨玄武巖噴出的幔源包體是研究大陸地幔流體的最主要樣品。Porcelli等首先對(duì)不同大陸新生代玄武巖中超鎂鐵巖包體做了稀有氣體研究，發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)的3He/4He值變化于6.0~10.0Ra間，這些值與近年對(duì)整個(gè)歐洲大陸、澳大利亞?wèn)|南等地地幔包體研究的結(jié)果類似。,大陸幔源包體,玄武巖斑

17、晶是研究大陸地幔流體的又一重要樣品，意大利西西里火山巖斑晶中的He同位素研究結(jié)果與前述包體一致。由于受板塊俯沖作用影響，環(huán)太平洋大陸邊緣幔源巖中普遍存在低于MORB的3He/4He值，如：,南美安第斯山區(qū)熱液和熔巖斑晶3He/4He值為0.18~6.9Ra；美國(guó)西部地區(qū)玄武巖斑晶和幔源包體單礦物中3He/4He值為4.14~8.19Ra；中國(guó)東部幔源巖3He/4He值變化范圍較大，但<7.0Ra者約占70%。,美國(guó)黃石公園是

18、研究較早的大陸熱點(diǎn)區(qū)，Craig等在對(duì)該區(qū)地?zé)崃黧w研究中得到1.0~16.0Ra的3He/4He值；印度德干、西伯利亞大陸溢流玄武巖和埃塞俄比亞大陸溢流玄武巖都發(fā)現(xiàn)了明顯高于MORB的3He/4He值（最高值分別為12.7Ra和19.6Ra）。,大陸熱點(diǎn)區(qū)幔源巖,上述數(shù)據(jù)表明，與洋島區(qū)一樣，大陸熱點(diǎn)地幔流體在具有高3He/4He值的同時(shí)，也具有變化寬廣的3He/4He值范圍（如埃塞俄比亞幔源巖為0.035~19.6Ra），這或許與熱點(diǎn)流

19、體源深、運(yùn)移過(guò)程中會(huì)遭受不同源區(qū)流體的混染有關(guān)。,2、Ar同位素,大洋中脊玄武巖（MORB）大洋中脊玄武巖的40Ar/36Ar值變化范圍較大， 從大氣值到數(shù)萬(wàn)都有，如：東太平洋：580~4370北大西洋：為426~42366,Burnard等利用激光取氣法對(duì)大洋中脊玄武巖樣品2ΠD43的研究中發(fā)現(xiàn)，其中一塊樣品的40Ar/36Ar比值高達(dá)64000，是目前所見(jiàn)幔源巖40Ar/36Ar最大值。實(shí)際上，介于296~12000間的4

20、0Ar/36Ar值是MORB中最普遍的，占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的97%以上，其中低于1000者僅占24.5%。,,不同構(gòu)造環(huán)境幔源樣品Ar同位素,Allegre等曾提出下地幔具有與大氣相似的40Ar/36Ar值，Loihi、Reunion等地研究結(jié)果表明，洋島區(qū)幔源巖40Ar/36Ar值確實(shí)可低至大氣值，但主要分布范圍與MORB類似（介于296~12000間者約占94%），只是洋島區(qū)有相當(dāng)數(shù)量的點(diǎn)落在1000以下，約占43.4%。,洋島玄武巖（OI

21、B）,板塊俯沖區(qū)幔源巖的40Ar/36Ar值總體較低，主要在4000以下，且<1000者約占67%，如日本島弧和馬里亞納海溝40Ar/36Ar值分別為307~1870和360~3869，具地幔-大氣混合源區(qū)特征，與該區(qū)可能發(fā)生的地殼/大氣-地幔的交代作用相應(yīng)。,俯沖帶幔源巖,歐洲大陸40Ar/36Ar值分布范圍與OIB類似，可低至大氣值，也有高至數(shù)萬(wàn)的樣品存在；澳大利亞?wèn)|南則變化于308~6148；非洲大陸金剛石中也有很低的4

22、0Ar/36Ar值存在（可低至1390）；太平洋東西兩岸的美國(guó)西部和中國(guó)東部40Ar/36Ar值普遍偏低，不足1000者分別占各自統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的93.4%和89.1%。,大陸幔源包體,總之，大陸上各類地幔流體的40Ar/36Ar值普遍偏低，其中鮮有大于4000者（歐洲大陸40Ar/36Ar>4000者約占15%，被解釋為放射性增生影響），Matsumoto et al.據(jù)此認(rèn)為古大氣混染在陸下地幔的存在是一種普遍現(xiàn)象,3、Ne同位素

23、,大洋中脊玄武巖（MORB）大洋中脊玄武巖中20Ne/22Ne值普遍介于大氣與地幔值之間，即介于9.8~12.5之間，如東太平洋為10.2~12.1，北大西洋為10.2~11.4，反映了大氣-地幔端元的制約效應(yīng)。,洋島玄武巖（OIB）,重要熱點(diǎn)區(qū)之一的Samoa，20Ne/22Ne值介于10.0~12.5間，類似的20Ne/22Ne值也見(jiàn)于Reunion、Loihi等洋島區(qū)。在Iceland地區(qū)得到迄今最高的地幔20Ne/22Ne值

24、，為13.7，這一比值與太陽(yáng)風(fēng)無(wú)異。,由于OIB與MORB中均具有高的20Ne/22Ne值，許多研究者認(rèn)為整個(gè)地幔含有太陽(yáng)型（13.7）而非隕石型（12.5）的20Ne/22Ne值。有限的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在20Ne/22Ne值分布特征上MORB與OIB略有差異：MORB中>11.0者約占57%，而OIB中<11.0者約占66%。,,不同構(gòu)造環(huán)境幔源樣品Ne同位素,大陸地幔20Ne/22Ne值與大洋樣品（MORB、OIB）類似

25、，如：俄羅斯Kola半島幔源巖為10.3~12.1澳大利亞?wèn)|部的20Ne/22Ne值為9.7~11.7，環(huán)太平洋大陸邊緣20Ne/22Ne值也與此類似。大陸幔源巖20Ne/22Ne值的典型特征之一是<9.8者普遍存在，且比例較高，185個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中有79個(gè)樣品的20Ne/22Ne <9.8，約占統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的43%。,大陸幔源包體,4、中國(guó)東部幔源包體中的稀有氣體同位素組成與構(gòu)造環(huán)境,中、新生代以來(lái)，中國(guó)東部受太平洋板塊影響

26、，構(gòu)造巖漿作用活躍，有大量新生代玄武巖分布，其中含豐富包體和巨晶，為研究中國(guó)東部陸下地幔提供了條件，目前已對(duì)該區(qū)部分幔源包體做了稀有氣體同位素研究。,3He/4He,中國(guó)東部地區(qū)幔源包體稀有氣體同位素組成具如下特征：3He/4He值總體偏低，分布范圍為0.115~11.3Ra，其中，介于1.0~7.0 Ra者比例較大（約67%）。最近，李延河等在東部一個(gè)幔源巨晶中發(fā)現(xiàn)異常高的3He/4He值（達(dá)694Ra），其成因尚不明了。,40Ar

27、/36Ar,中國(guó)東部幔源包體的40Ar/36Ar值較低，為251~2325，其中大于1000者不足11%，總體上明顯低于MORB和OIB，與美國(guó)西部等大陸邊緣的幔源巖類似，也與大洋溝弧系類似；與其它大陸比較，中國(guó)東部幔源包體的低40Ar/36Ar特征尤為突出。,20Ne/22Ne,中國(guó)東部幔源包體的20Ne/22Ne值（9.5~12.2）與澳大利亞等大陸的幔源包體類似，也有相當(dāng)比例（約35%）的樣品20Ne/22Ne<9.8，也就

28、是說(shuō)，低20Ne/22Ne在我國(guó)東部幔源巖中也是存在的。,不同流體源區(qū)He、Ne、Ar同位素組成特征,第三節(jié) 稀有氣體及其與其它體系的綜合研究,多元綜合研究是當(dāng)今地學(xué)領(lǐng)域中頗為有效的方法，可以闡明單一研究體系無(wú)法解決的問(wèn)題。近些年來(lái)，稀有氣體與其它體系的綜合研究，有一些有意義的研究成果問(wèn)世，如：稀有氣體與巖漿中主要揮發(fā)分CO2、H2O、N2等的綜合研究，稀有氣體與微量元素Nd、Sr、Pb等的綜合研究，等等。,一、稀有氣體同位素綜合示

29、蹤,輕稀有氣體同位素比值對(duì)于直觀地判別單一流體源區(qū)非常有效，但對(duì)于由2個(gè)以上源區(qū)混合而成的流體的判別局限性明顯。故而，利用輕稀有氣體同位素組合，如He-Ne、He-Ar、Ne-Ar同位素對(duì)，在流體成因、來(lái)源的研究中被廣泛應(yīng)用。,大洋玄武巖3He/4He-40Ar/36Ar,,,大洋玄武巖20Ne/22Ne-40Ar/36Ar,,由于不同源區(qū)間輕稀有氣體同位素比值差異明顯，因而其相關(guān)圖是源區(qū)判識(shí)的有效手段，如3He/4He-40Ar/36

30、Ar、 40Ar/36Ar-20Ne/22Ne、3He/36Ar-40Ar/36Ar等相關(guān)圖。,大洋玄武巖3He/36Ar-40Ar/36Ar,,二、稀有氣體與輕穩(wěn)定同位素氣體地球化學(xué)的應(yīng)用研究,輕穩(wěn)定同位素，通常指C、H、O、N、S等元素的同位素，含這些元素的氣體，如CO2、CH4、N2等是地球中廣泛存在且極為活躍的部分。,稀有氣體的化學(xué)性質(zhì)及其物理化學(xué)特性使它在示蹤巖體源區(qū)、演化和流體運(yùn)移等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這兩種體系的綜合研究在幔

31、源巖石和油氣等礦藏的應(yīng)用以及地球大氣演化模式研究中取得了豐碩成果。,巖體源區(qū)追溯,此類研究以與地幔源相關(guān)的巖石研究較多。玄武巖及其幔源包體是研究地幔的主要對(duì)象，目前已有大量有關(guān)的地球化學(xué)研究，部分涉及稀有氣體與C、H、O、N、S的研究非常有意義。幔源巖石中稀有氣體與穩(wěn)定同位素結(jié)合研究的例子較為常見(jiàn)，對(duì)一些單一體系無(wú)法闡明的現(xiàn)象做出了較為合理的解釋。這類研究多用于巖體源區(qū)追溯和成因的探討。,Marty等對(duì)世界范圍幔源樣品的研究表明，大洋

32、中脊玄武巖具非常穩(wěn)定的3He/4He、δ13C值，分別為8.53±0.79Ra和-5.2±0.7‰，反映了大洋地幔物質(zhì)的相對(duì)均一性，被認(rèn)為代表了上地幔的特征值；但對(duì)40Ar/36Ar>1000的樣品做進(jìn)一步的分析，發(fā)現(xiàn)其δ15N與金剛石的很相似（-3.3±1.0‰），意味著這部分樣品可能來(lái)自更深的軟流圈地幔。,Condomines等對(duì)冰島某地共生巖漿系列做了較為系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)玄武巖3He/4He

33、（=3.59~23.9Ra）、δ18O值（3.2~5.4‰）具地殼與地幔源區(qū)的混合特征；而中酸性火山巖中3He/4He值（0.82~1.5 Ra）與大氣接近，δ18O值明顯低于MORB（1.37~4.05‰），主要反映了大氣的強(qiáng)烈影響。,油氣源區(qū),油氣中稀有氣體的研究有著重要的理論與實(shí)踐意義，故而成為稀有氣體與穩(wěn)定同位素結(jié)合最多的領(lǐng)域之一。基于前人研究，朱岳年等以3He/4He、δ13C作為判斷依據(jù)，將CO2氣的來(lái)源歸結(jié)為８類，如地幔脫

34、氣CO2為δ13C值介于-８~-4‰，有機(jī)成因CO2的δ13C介于-20~-10‰, 海相碳酸巖熱分解CO2的δ13C介于-3.7~+3.7‰，結(jié)合3He/4He值可有效地推溯CO2的來(lái)源構(gòu)成。,澳大利亞甘比爾火山湖附近液態(tài)CO2井中，δ13C＝-3.7~-4.3‰，3He/4He＝3Ra，He/Ne值為大氣的1370倍，具明顯地幔源特征。我國(guó)松遼盆地萬(wàn)金塔CO2氣藏δ13C＝-2.6~-9.96‰，3He/4He＝2.26 Ra~4

35、.96Ra，亦具幔源特征。,稀有氣體與流體組分的比值,稀有氣體與CO2、CH4、N2等流體主要組分的綜合研究是新近受到人們注意的嶄新領(lǐng)域，在最近二十年來(lái)發(fā)展強(qiáng)勁，是目前正在發(fā)展和完善的流體判識(shí)體系之一。其中，CO2、N2 、CH4等氣體與輕稀有氣體的比值是較為常用的判識(shí)指標(biāo) 。,Giggenbach、Norman等的長(zhǎng)期研究表明，熱液流體中的N2、Ar、He含量間的相互關(guān)系可以判斷流體的來(lái)源，因?yàn)榇髿庵蠳2/Ar為83.6，大氣飽和水（

36、含海水）N2/Ar為38，巖漿水因俯沖有機(jī)沉積物分解而N2/Ar很高（>200）。,殼源物質(zhì)中含有大量有機(jī)質(zhì)，其中蛋白質(zhì)等的分解可產(chǎn)生大量的N2，因而一些明顯受殼源有機(jī)質(zhì)混染的流體，N2/Ar值要高得多，如美國(guó)西部San Carlos地區(qū)地幔巖包體單礦物N2/Ar值多在2851~32020之間，顯示了殼源有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)。上述特征結(jié)合流體的3He/4He值即可有效地解決熱液來(lái)源問(wèn)題。,Marty等首先注意到，大洋中脊玄武巖中的流體具

37、有極為一致的CO2/3He摩爾比值，約為2×109，其后的研究表明，雖然不同地區(qū)的玄武巖間略有差異，但CO2/3He值基本上都在109數(shù)量級(jí)上，這一特征在洋島、大陸玄武巖及幔源熱液中也具有普遍意義。,地幔流體中上述特征存在的可能機(jī)理是：地幔條件下不大可能存在自由流體相，各類揮發(fā)分主要分散溶解在硅酸巖熔體中；在巖漿形成CO2氣泡過(guò)程中，He作為不相容元素優(yōu)先富集于CO2氣泡中，其CO2/3He值在上地幔范圍為109數(shù)量級(jí)；由于巖

38、漿上升運(yùn)移過(guò)程很短，而地幔揮發(fā)分的量很小，因而流體之間的分餾作用很微弱，基本保持了地幔源區(qū)CO2/3He比例。,地殼中由于大量有機(jī)質(zhì)的存在和貧3He，CO2/3He比值可高達(dá)1012~1013，遠(yuǎn)較地幔值高；同時(shí)3He/4He值很低（2×10-8）。因而高CO2/3He值、低3He/4He值可看作地殼/沉積層特征，如窯街煤田突出氣3He/4He介于0.0042~0.185Ra，而CO2/3He值可高達(dá)6000×109

39、。由于洋殼的混染，俯沖板塊相關(guān)區(qū)域幔源流體的CO2/3He比值通常較大洋中脊玄武巖高，可達(dá)130×109。,不同流體源區(qū)的CO2/3He、N2/Ar、N2/3He等比值特征參數(shù),三、幔源巖類中的稀有氣體同位素與Sr、Nd、Pb同位素研究,前已述及，Sr-Nd-Pb同位素是相對(duì)成熟且極為有效的巖體示蹤體系，在幔源巖研究中應(yīng)用廣泛。稀有氣體則是當(dāng)前迅速發(fā)展的一種有效示蹤體系。,上述原理不同而又同樣有效的兩種示蹤體系的結(jié)合，將會(huì)

40、更好地揭示地幔的組成特征。近年來(lái)已有不少這方面的研究問(wèn)世。根據(jù)對(duì)大洋中脊玄武巖（MORB）和洋島玄武巖（OIB）Sr、Nd、Pb同位素相關(guān)性特征的研究，已經(jīng)鑒定出4個(gè)代表性的地幔化學(xué)組分端元：,①虧損的洋中脊玄武巖地幔（DMM）；②高U/Pb值地幔（HIMU）；③I型富集地幔（EM1）；④II型富集地幔（EM2）。其中DMM相當(dāng)于MORB組分；EM1、EM2、HIMU是構(gòu)成OIB的三種主要端元。,大洋玄武巖He與Sr、Nd、P

41、b關(guān)系圖,,Poreda等在對(duì)Lau Basin弧后玄武巖的研究中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)3He/4He =7-22Ra，明顯有深部地幔物質(zhì)的存在。有趣的是，在Rochambeau Bank地區(qū)：3He/4He與87Sr/86Sr呈正相關(guān) 3He/4He與143Nd/144Nd呈負(fù)相關(guān)；而在相鄰的Somoan地區(qū)：3He/4He與87Sr/86Sr呈負(fù)相關(guān) 3He/4He與143Nd/144Nd呈正相關(guān)。即兩區(qū)Sr、Nd同位素與He同位

42、素序列呈鏡像分布，如下圖。,Lau 盆地He與Sr、Nd、Pb關(guān)系圖,,鑒于相距600km的Rochambeau Bank與Somoan分別位于Tonga海溝的兩側(cè)，地理上很接近，因而它們可能同源，也就是說(shuō)，Rochambeau Bank區(qū)源區(qū)物質(zhì)很可能是上升的地幔羽被下沉的太平樣板塊在700km深處阻塞而形成的分支，它混入了洋殼成分。,,事實(shí)上，由于混染等后期過(guò)程的影響，許多地區(qū)并不存在這種良好的相關(guān)性。如Iceland地區(qū)玄武巖及