本文關(guān)鍵詞： Ca同位素 TIMS 同位素分餾 MORB 部分熔融 再循環(huán)碳酸鹽巖　出處：《中國科學院研究生院(廣州地球化學研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：鈣是主要的造巖元素之一,也是生物必需的元素之一,在地球各圈層廣泛分布。鈣同位素在自然界中存在~4‰的分餾,在示蹤各種地質(zhì)過程方面具有廣泛的應用前景。但是受Ca同位素的豐度差異、分析過程中的同位素分餾、基體效應等因素的影響,不同實驗室獲得Ca同位素數(shù)據(jù)的精度和準確度存在較大差異。而且,與Ca同位素相關(guān)的研究應用主要集中在低溫過程,目前仍缺少有關(guān)高溫地質(zhì)過程及地球深部圈層的Ca同位素研究。在本論文中,我們首先系統(tǒng)的回顧了Ca同位素分析方法和相關(guān)應用的研究現(xiàn)狀,并針對其中存在的相關(guān)問題,利用TIMS通過~(42)Ca-~(43)Ca雙稀釋劑技術(shù)建立了Ca同位素的分析方法。雖然選用的~(42)Ca-~(43)Ca雙稀釋劑組合的理論誤差較大,但是它的平均質(zhì)量數(shù)與~(44)Ca/~(40)Ca相差最小,且受離子光學聚焦效應的影響小,成本低。通過不斷對比離子交換樹脂種類和體積、層析柱種類、淋洗酸種類及濃度等因素,確定了同時適合不同巖性及一定樣品量的Ca同位素化學分離方案。與前人提出的化學分離方案相比,該方案可實現(xiàn)Ca與K、Sr等干擾元素的有效分離,同時回收率99%。利用TIMS測定之前,采用“覆蓋式”點樣技術(shù)將提純的Ca樣品點在去氣的Ta單帶上。由于Ca同位素質(zhì)量分布范圍寬,設(shè)置了兩個法拉第杯系列進行測定,其中設(shè)定第一系列的中心杯對~(41)K進行監(jiān)控,并根據(jù)~(40)K/~(41)K=1.7384×10-3進行~(40)K的干擾校正。通過~(42)Ca-~(43)Ca雙稀釋劑技術(shù)校正質(zhì)譜測定過程中發(fā)生的儀器分餾時,選用的為指數(shù)分餾定律。利用我們建立的分析方法,長期測定的標準物質(zhì)NIST SRM 915a的δ~(44/40)Ca為0.01±0.01(2SE,n=233)或0.01±0.11(2SD,n=233),IAPSO海水的δ~(44/40)Ca為1.83±0.01(2SE,n=85)或1.83±0.12(2SD,n=85)。此外,為了檢驗分析方法的精度和準確度,我們還對19個國際巖石標樣進行了多次Ca同位素分析,其中包括硅酸巖、碳酸巖及錳結(jié)核粉末樣品和MPI-DING玻璃標樣。它們的測定結(jié)果與文獻報道值在誤差范圍內(nèi)一致,而且大量的重復測定顯示本文所建立分析方法的長期外部精度優(yōu)于±0.1‰。此外,本文測定的巖石標樣結(jié)果顯示酸性花崗閃長巖GSP-2和云母片巖SDC-1的δ~(44/40)Ca分別為0.25±0.02和0.35,比其它中基性火成巖的δ~(44/40)Ca低,表明硅酸巖中Ca同位素分餾的存在。因此,Ca同位素分析方法的建立有利于我們研究Ca同位素在各種地質(zhì)過程中的分餾行為。由于Ca同位素的質(zhì)量分布范圍寬,相對質(zhì)量差大(Δm/m≈20%),因此在化學分離和質(zhì)譜測定過程中可發(fā)生較大的同位素分餾。為了有效的避免或合理的校正該同位素分餾以提高分析的精度和準確度,本文對分析過程中發(fā)生的Ca同位素分餾開展了詳細的研究工作�；瘜W分離時,AG MP-50(100-200 mesh)樹脂傾向于吸附輕的Ca同位素,進而發(fā)生~4‰的分餾,并且該同位素分餾遵循指數(shù)分餾定律。在對樣品的單次TIMS測定過程中,通過對初始數(shù)據(jù)的監(jiān)控,我們觀測到多儲庫混合效應的存在使得儀器分餾偏離指數(shù)分餾定律,進而導致經(jīng)指數(shù)分餾定律校正后的結(jié)果偏離樣品真實值,影響了測定結(jié)果的精度及準確度。為此,我們首次定量評估了多儲庫混合效應對測定結(jié)果的影響,并通過觀測單次TIMS測定的分餾方式和分餾程度以對其進行測定質(zhì)量的判定,在一定程度上提高了測定的精度和準確度。鈣作為地表碳酸鹽巖的主要元素之一,地幔來源巖漿巖的鈣同位素組成對研究深部碳循環(huán)具有指示意義。但是要開展此工作,需了解地幔物質(zhì)在部分熔融過程中是否產(chǎn)生Ca同位素分餾。因此,利用本工作建立的Ca同位素分析方法,我們首先通過正常地幔直接來源的MORB樣品研究了Ca同位素在部分熔融過程中的分餾行為。東太平洋N-MORB和D-MORB樣品的δ~(44/40)Ca從0.75變化至0.88,與上地幔的δ~(44/40)Ca(1.05±0.04)相比,這些樣品富集輕的Ca同位素。由于橄欖石中的Ca含量極低,斜長石的δ~(44/40)Ca比全巖的低或者類似,因此橄欖石和斜長石的分離結(jié)晶并不能造成MORB樣品的δ~(44/40)Ca比上地幔低0.15-0.30。N-MORB和D-MORB樣品的δ~(44/40)Ca與La/Yb及Nb/Y存在負相關(guān)性,表明部分熔融過程中可產(chǎn)生高達0.3‰的Ca同位素分餾。單斜輝石和斜方輝石為上地幔的兩種主要含Ca礦物,平衡條件下兩者存在較大的Ca同位素分餾。在部分熔融過程中,單斜輝石和斜方輝石不同消耗比例可能導致巖漿優(yōu)先富集輕的Ca同位素,而重的Ca同位素傾向富集于殘余相中。因此,部分熔融過程可能是造成地幔Ca同位素不均一的高溫過程之一,且Ca同位素可能作為一個新的同位素體系來研究行星分異過程。與太平洋和大西洋MORB樣品相比,印度洋MORB具有富集的Sr、Nd和Pb同位素組成。為了判斷其富集源區(qū)是否存在再循環(huán)的海相沉積碳酸鹽巖,我們首次對印度洋MORB樣品開展了Ca-Mg-Sr-Nd同位素聯(lián)合研究。與上地幔相比,采自中央印度洋中脊18-20?S的MORB樣品(CIR MORB)具有低的δ~(44/40)Ca(0.70-0.89)和~(143)Nd/~(144)Nd(0.5129-0.5131)、高的~(87)Sr/~(86)Sr(0.7029-0.7040)。而且,不同于東太平洋的N-MORB和D-MORB樣品,CIR MORB樣品的δ~(44/40)Ca與La/Yb、Nb/Y不存在相關(guān)性,而與~(87)Sr/~(86)Sr存在負相關(guān)性,與~(143)Nd/~(144)Nd存在正相關(guān)性,表明這些樣品的源區(qū)可能受到了再循環(huán)碳酸鹽巖的混染。但是CIR MORB樣品的Mg同位素特征與上地幔相似,說明再循環(huán)進入地幔的Mg含量可能較低,因此該碳酸鹽巖可能以碳酸鈣為主。在Ca-Sr-Nd同位素相關(guān)圖解中,采自東南印度洋中脊Australian-Antarctic Discordance區(qū)域的Indian-type MORB樣品落入CIR MORB樣品趨勢線上,而Pacific-type MORB樣品落入采自太平洋的N-MORB和D-MORB樣品中。因此Ca-Sr-Nd同位素的聯(lián)合示蹤,表明再循環(huán)的海相沉積碳酸鹽巖可能是造成Indian-type MORB樣品地幔源區(qū)富集的原因。而Pacific-type MORB樣品比上地幔低~0.25‰的Ca同位素組成,可能反映了部分熔融過程中的Ca同位素分餾。部分熔融過程與地幔中再循環(huán)的海相沉積碳酸鹽巖均可造成地幔Ca同位素的不均一,Ca-Mg-Sr-Nd同位素的聯(lián)合應用在一定程度上可有效的識別這兩種地質(zhì)過程。
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【學位授予單位】：中國科學院研究生院(廣州地球化學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P597
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本文編號：1515539