1、氦同位素地球化學(xué)研究簡介1.氦同位素的地球化學(xué)基礎(chǔ)2.氦同位素的分析方法3.氦同位素在地球化學(xué)研究中應(yīng)用 氦（He）化學(xué)性質(zhì)不活潑，不參與各種化學(xué)反應(yīng)過程。氦具有極強的擴散和遷移能力。在太陽系乃至整個宇宙空間，氦的豐度均很高。在地球物質(zhì)中，氦的豐度極低，但廣泛分布于自然界各種物質(zhì)之中。氦的地球化學(xué)性質(zhì)氦有兩種同位素：3He，4He氦的同位素氦有三種成因類型：（1）元素合成階段形成的原始氦 3He/4He比值為nl0-4（2）鈾釷等衰變及由這些過程誘發(fā)的核反應(yīng)產(chǎn)生的放射性成因氦 3He/4He比值小于nl0-8（3）高能宇宙射線轟擊隕石等物質(zhì)引起的散裂反應(yīng)，產(chǎn)生宇宙成因氦 3He/4He比值高達

2、n10-1氦的成因類型 自然界各種物質(zhì)中的氦實際上是上述3種不同成因氦的不同比例的混合。 太陽風(fēng)、宇宙塵、隕石中的氦主要是宇宙成因氦與原始氦的混合，其氦豐度和3He/4He 比值均很高。宇宙塵的3He/4He比值為 2.4l0-4,4He含量為1.25l0-1 cm3 STP/g。氦同位素地球化學(xué)-1 地球樣品中的氦主要是放射性成因氦和地球原始氦的混合。 陸殼巖石富含U、Th等放射性元素，U、Th衰變產(chǎn)生4He ，使陸殼巖石的3He/4He比值普遍較低，10-8。氦同位素地球化學(xué)-2 地幔中放射性元素含量很低，衰變產(chǎn)生的4He很少，使其基本保持了地球形成時原始地幔的氦同位素特征。其中MORB的

3、3He/4He比值平均為1.2 10-5；地幔熱點的3He/4He比值相對較高，大于2.1 10-5 地球大氣氦的3He/4He比值非常穩(wěn)定，為1.4 10-6。它是地球長期演化的結(jié)果。氦同位素地球化學(xué)-3 海底熱液中的氦主要是地幔氦與大氣氦的混合，其3He/4He 比值介于地幔氦和大氣氦之間，為n10-6 n10-5。 大陸熱液中的氦主要是地幔、地殼和大氣三者或其中二者的混合，其3He/4He 比值變化范圍較大，10-8 10-5。 氦同位素地球化學(xué)-4氦同位素在地球上的分布氦同位素在自然界中的變化范圍巨大，不同成因和來源的氦其豐度和同位素組成明顯不同。 4He=10-110-8 cm3ST

4、P/g，3He/4He=10-1 10-8，引起氦同位素變化的主要原因有： ()氦的來源 ()U、Th等放射性元素含量及礦物巖石的 形成年齡；隕石等地外物質(zhì)的暴露年齡（）同位素分餾（）體系封閉特性氦同位素地球化學(xué)-5根據(jù)物質(zhì)的來源和氦同位素的特征，將自然界中的氦儲庫分為4類：一.地外物質(zhì)，包括隕石和宇宙塵等；二.地球物質(zhì)： 1.地幔物質(zhì)，包括上地幔和下地幔； 2.地殼物質(zhì)； 3.地球大氣。氦的來源 礦物巖石的U、Th含量越高，形成年齡越大，積累的放射性成因4He越多，其3He/4He 比值就越低。隕石等宇宙物質(zhì)在宇宙射線中暴露的時間越長，積累的宇宙成因3He越多，其3He/4He 比值越高。放

5、射性元素含量及礦物巖石的形成年齡氦在擴散、遷移、溶解、吸附等過程中的同位素分餾是引起氦同位素變化另一個重要原因，但由分餾引起的氦同位素變化相對較小。同位素分餾氦是擴散能力非常強的氣體，許多礦物的氦同位素封閉溫度普遍較低，對后期改造事件反映非常靈敏，微弱的后期擾動都有可能引起體系氦同位素的變化。體系封閉特性二、分析方法 氦同位素的分析方法主要有兩種: 加熱提取方法 壓碎提取方法加熱提取法: (1)一次性加熱提取 (2)分段加熱提取 (3)激光探針加熱提取壓碎提取法: 壓碎法提取的主要是礦物流體包裹體 中的氦?？蓪⒎派湫院そ档阶畹?。三、氦同位素的應(yīng)用研究 1 .研究隕石起源演化，示蹤隕石撞擊事件，

6、區(qū)分地內(nèi)、地外物質(zhì)。 2 .劃分地幔類型，研究殼幔相互作用、地幔交代作用、地幔流體成礦作用，判定地幔熱柱是否存在。 3 .探討地外因素對地球氣候環(huán)境的影響，預(yù)報地震。氦同位素在隕石撞擊事件中的應(yīng)用 隕石和宇宙塵的氦豐度和同位素組成與地球物質(zhì)明顯不同，微量微隕石或宇宙塵的加入即可造成地內(nèi)物質(zhì)明顯的氦同位素異常。 Farley（1998）用氦同位素研究深海沉積物中36Ma前發(fā)生的2次撞擊事件。He同位素異常與Ir異常和Popigai、Chesapeake隕石坑的位置完全重合，但He同位素的異常強度較Ir異常高得多，異常持續(xù)時間達2.5Ma。 氦含量和同位素組成在Massignano Quarry剖

7、面和Massicore 鉆孔中的分布A 3He含量B 3He/ 4He比值C 地外3He含量地外3He通量和宇宙塵通量變化與撞擊事件之間的關(guān)系（曲線為通過近日點的頻率） 251.4Ma前，在P-T界線附近發(fā)生了大規(guī)模地生物滅絕事件，使90%的海洋生物，70%的陸地脊椎動物和絕大部分陸地植物滅絕。 這次滅絕事件可能與某個災(zāi)變事件有關(guān)。可能原因有：隕石撞擊、大規(guī)模火山噴發(fā)、海洋缺氧和氣候變化等。 Becker （2001）在梅山和日本Sasayama P-T界線粘土層中發(fā)現(xiàn)了富勒烯（C60C200）。富勒烯中的He的3He/4He比值高達10-4，與碳質(zhì)球粒隕石相似，表明隕石撞擊可能是引起生物絕滅

8、的原因。富勒烯捕獲惰性氣體的示意圖中國梅山和日本Sasayama P-T界線沉積物激光解吸質(zhì)譜中國梅山（甲苯提?。┤毡維asayama（四甲苯提?。┲袊飞剑ㄋ募妆教崛。┤毡維asayama P-T界線沉積物和富勒烯的氦同位素組成P-T界線沉積物中40Ar/36Ar與3He/36Ar關(guān)系圖宇宙塵的氦同位素研究 Ozima（1984）在深海沉積物中首先發(fā)現(xiàn)宇宙塵，引起人們的重視。 Farley（1997） 研究了宇宙塵進入地球大氣圈時的受熱情況和宇宙塵對氦的保存能力。 Farley（1995）根據(jù)沉積物中地外3He含量、沉積速率和地外3He通量之間的關(guān)系，計算新生代以來宇宙塵通量的變化，發(fā)現(xiàn)海底

9、沉積物中地外3He的通量變化存在10萬年的周期。 Marcantonio等發(fā)現(xiàn)地外3He通量變化與地球氣候變化密切相關(guān)。即地外因素對地球氣候的影響不可忽視。中大西洋中脊DSDP607鉆孔沉積物3He含量隨時間的變化地外3He通量隨時間的變化深海沉積物的氧同位素變化軌道偏心率和傾角 Kortenkamp(1998)隨后數(shù)字模擬了宇宙塵粒子軌道演化，進一步證實進入地球的宇宙塵通量變化存在一個10萬年的周期，該周期與地球軌道偏心率的變化有關(guān)。 在深海沉積物中觀察到的地外3He的濃度變化周期與之相似，但存在一個50000年相差。 小行星帶內(nèi)小行星之間的碰撞是不可避免的，大的碰撞將對這一周期產(chǎn)生疊加影響

10、。宇宙塵通量與地球軌道參數(shù)之間的關(guān)系B 地球軌道偏心率E 地外3He通量磷灰石的（U-Th）/ He年齡測定與熱年代學(xué) 磷灰石富含鈾、釷，是（U-Th）/ He法定年的理想礦物。但其封閉溫度很低，只有75。 Zeitler和Wolf等利用磷灰石的這一特性開展磷灰石的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究。 House（1998）根據(jù)磷灰石的（U-Th）/ He定年法研究了美國加利福尼亞內(nèi)華達山脈的地形形成歷史。A 地形剖面示意圖B 埋藏深度與溫度的關(guān)系（V 山谷，R 山脊）C 山谷和山脊樣品的冷卻歷史(U-Th)/He年齡沿山脈剖面的變化A 海拔校正后的He年齡（梯形曲線為校正后的平均年齡）B 剖面中樣品的位置和海

11、拔地幔巖石的氦同位素研究 氦同位素是區(qū)分地殼、地幔巖石，劃分地幔類型，研究地幔交代作用，判定地幔熱柱是否存在的重要手段。以前研究較多的是大洋地幔，最近大陸地幔的氦同位素研究日益受到人們的重視（Dunai，1995；Patterson，1994）。 Niedermann（1997）在東南太平洋的MORB中找到了下地幔的氦組分； Matsumoto（1997）在澳大利亞一個幔源包體中發(fā)現(xiàn)了似地幔柱氖。 Hanyu（1997）通過研究板塊俯沖帶玄武巖的氦同位素組成，找到了地殼物質(zhì)再循環(huán)的氦同位素證據(jù)。 李延河等發(fā)現(xiàn)中國東部新生代玄武巖中幔源包體和高壓巨晶的3He/4He比值大都分布在110-5左右，

12、顯示出MORB型虧損地幔的特征。 蛟河地區(qū)幔源包體的3He/4He比值為4.810-6；漢諾壩地區(qū)幔源包體的3He/4He比值為（0.157.4）10-6，較MORB值明顯偏低，甚至低于大氣的值，說明該地區(qū)曾發(fā)生過強烈的地幔交代作用。 同一地區(qū)幔源包體和高壓巨晶的氦同位素組成明顯不同，表明幔源包體和高壓巨晶不是同源的，二者可能與寄主玄武巖均無必然成因聯(lián)系。 在漢諾壩地區(qū)一件石榴石巨晶中發(fā)現(xiàn)了異常高的3He/4He比值。 示漢諾壩幔源包體中橄欖石，漢諾壩輝石巨晶，示漢諾壩石榴石巨晶；示寬甸輝石巨晶，示寬甸石榴石巨晶；示女山幔源包體中橄欖石，示女山輝石巨晶；+ 示鹿道幔源包體中橄欖石；定安幔源包體

13、中橄欖石； 示輝南幔源包體中橄欖石；示蛟河幔源包體中橄欖石中國東部新生代玄武巖中幔源包體和高壓巨晶的氦同位素分布圖漢諾壩地區(qū)玄武巖中幔源包體和高壓巨晶的3He - 3He /4He分布圖 漢諾壩地區(qū)玄武巖中幔源包體和高壓巨晶的3He - 4He分布圖 地幔流體的氦同位素研究 Kennedy研究與加州San Andreas斷裂帶有關(guān)的地?zé)崃黧w，發(fā)現(xiàn)地?zé)崃黧w的3He/4He比值較高，且與地?zé)崃黧w的化學(xué)成分和產(chǎn)出的地質(zhì)環(huán)境無關(guān)，從而證明了與該斷裂有關(guān)的地?zé)崃黧w來自地幔。 上官等研究了騰沖等地?zé)崛暮ね凰亟M成，發(fā)現(xiàn)溫泉的氫氧同位素組成與當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓嗨疲?He/4He比值較大氣的值明顯偏高；說明

14、溫泉水可能來自大氣降水，但氦可能來自地幔。San Andreas斷裂帶地?zé)崃黧w的化學(xué)成分San Andreas斷裂帶地?zé)崃黧w的氫氧同位素組成San Andreas斷裂帶地?zé)崃黧w的氦同位素組成San Andreas斷裂帶地?zé)崃黧w的氦同位素組成在空間上的分布氦同位素在熱液礦床和油氣田中應(yīng)用研究 熱液礦床和油氣田中幔源組分的氦同位素示蹤是最近氦研究的一個熱點。Stuart發(fā)現(xiàn)成礦早期的成礦熱液的3He/4He比值1.410-6，具有幔源氦的特點。 徐永昌（1996）發(fā)現(xiàn)郯廬斷裂附近不少氣田的 3He/4He比值異常高，具有明顯的幔源氦的加入。 李延河等用壓碎法分析了膠東、冀東和小秦嶺等地區(qū)金礦的流體

15、包裹體的氦同位素組成，發(fā)現(xiàn)這些金礦的3He/4He比值普遍較高，證明了這些地區(qū)金礦的形成確實與地?；顒佑嘘P(guān)。 需要說明的是氦來自地幔并不等于水和金屬成礦物質(zhì)也來自地幔。氦同位素在環(huán)境方面的應(yīng)用利用惰性氣體研究地下水的古溫度，示蹤盆地水循環(huán)（Castro，1998）是惰性氣體同位素研究的一個新的發(fā)展方向。 謝謝！Marcantonio（1996）發(fā)現(xiàn)海底沉積物中地外3He的含量是海底沉積物搬運和積聚的指示劑。A 深海有孔蟲的氧同位素B 深海沉積物中碳酸巖組分 的含量C 地外3He含量D 地外3He通量A Vostok地區(qū)空 氣氧同位素記錄B Milankovitch 日照強度變化C 深海沉積物的

16、氧同位素記錄 A Vostok地區(qū)大氣氧同位素記錄 B 處理后的氧同位素記錄C 深海沉積物的氧同位素記錄 D 處理后的氧同位素記錄A 日照強度減去大氣18O后的剩余，反映了冰的體積變化B 日照強度減去深海有孔蟲18O后的剩余，反映了冰的體積 和深海水溫度變化C 兩個剩余之間的差異，反映了深海水溫度變化A B 重建的海水18O記錄，反映了冰的體積和海平面變化C 重建的Dole效應(yīng)記錄D 重建的有孔蟲18O記錄，反映了深海水的溫度變化E Vostok地區(qū) D/H比值F大氣CO2記錄A 深海溫度B 冰體積（海平面）C D/H比值（氣溫）D CO2濃度e 地球軌道偏心率t 軌道傾角p 運動南極地區(qū)氣候變化與地球軌道參數(shù)之間的關(guān)系 Shackleton（2000）對南極Vostok地區(qū)冰的體積變化、冰的氧同位素變化及冰捕獲的大氣中CO2濃度和大氣氧同