氦、氩同位素
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发布时间：2022-04-24 07:38
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时间：2022-06-17 16:41
Kaneoka(1985)等将地球上氦和氩储库总结为4种主要类型:大气型(A型)、地壳型(C型)、大洋中脊玄武岩型(MORB型)和地幔羽或热点型(Plume型)。现代大气3He/4He值和40Ar/36Ar值分别为1.4×10-6Ra和295.5，并以此作为标样;地壳型3He/4He值和40Ar/36Ar值分别为2×10-8和1500，与岩石圈中放射性成因的氦、氩相关。MORB型和Plume型与地幔俘获的原始氦、氩组分相关，MORB型代表亏损地幔物质，其3He/4He值和40Ar/36Ar值分别为1.1×10-5≈8Ra和2×104;Plume型含有更多的原始气体成分，代表富集地幔，其氦、氩同位素特征值分别为4×10-5≈29Ra和350。
为了对比大区域氦氩同位素对于成矿物质来源示踪的特点，分别对全国已测试氦氩同位素的资料进行了统计，计有金矿27个，银多金属矿13个，多金属矿8个，稀土矿1个，大洋结壳2处，火山泉3处，及围岩和花岗岩。共计样品171件(表5-17)。固体矿床统计的样品主要为黄铁矿等硫化物矿物，少量石英、白云母、方解石、萤石及稀土矿物。
从表5-17可得出如下规律:
1)产于不同构造部位各矿床的氦同位素组成差别不大，3He/4He含量范围为0.24×10-6～9.39×10-6，平均为3.34×10-6，其中金矿平均值为3.04×10-6，银多金属3.81×10-6，多金属3.61×10-6，表明成矿物质应来自于地球深部，地幔流体参与了成矿作用。大洋结壳成矿过程相对比较简单，其3He/4He比值平均值大于8×10-6;火山泉为3.30×10-6～6.09×10-6。花岗岩为0.001×10-6～0.38×10-6，平均0.10×10-6;矿区外围片麻岩、碳酸盐岩、花岗岩3He/4He值平均值0.001×10-6～1.79×10-6，平均1.00×10-6。
表5-17 中国部分矿床氦气体特征
续表
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注：*为黄铁矿中的3He/4He与空气3He/4He（Ra:空气3He=1.40×10-6）的比值。
2)金银多金属矿的R/Ra值区间为0.007～6.01，平均2.37，其中金矿为2.18，银多金属矿为2.74，多金属矿为2.71;大洋结壳为6.11;火山泉为3.63。相对而言，围岩和花岗岩的R/Ra的平均值则明显低得多，前者为0.95，后者为0.07。
3)从地幔氦比例来看，53个金银多金属矿的值域区间为4.55%～83.06%，平均为29.91%。也即有近1/3的氦是来自地球深部。其中金矿为27.48%，银多金属矿为39.02%，多金属矿为30.26%。大洋结壳和火山泉地幔氦比例明显要高得多，分别为77.73%和46.05%。
4)53个金银多金属矿床40Ar/36Ar分布区间为265.75～2361，平均699.0。明显高于现代大气值(40Ar/36Ar=295.5)。4He与40Ar的衰变母体有相似的半衰期且在岩浆作用期间具有相似的不相容情况，因而3He/4He和40Ar/36Ar比值有很好的相关性。虽然放射成因氩和地幔氩都具有高40Ar/36Ar的特点，因而仅根据较高的40Ar/36Ar值无法区别它们究竟是放射成因氩还是地幔氩，但同时具有高40Ar/36Ar和高含量的3He，则是地幔所特有的。
5)40Ar统计表明，金银多金属矿床、大洋结壳矿床和火山泉40Ar为0.1×10-7～155.15×10-7cm3STP/g，平均为16.75×10-7cm3STP/g，其中46个金银多金属矿床40Ar平均值为13.06×10-7cm3STP/g，剔除4个特高值，平均为5.85，略高于Hart(1979)所得地幔40Ar的上限值3.2×10-6cm3STP/g;4He/40Ar=0.0020～643.86，剔除4个特高值，平均为5.85，亦高于Schwartzman(1973)估计现今地幔的4He/40Ar值(1.36～2.23)。
6)将所有样品的平均值投点于氦同位素浓度图上(图5-9)，可见落点均位于地幔氦附近。反映氦气应以地幔来源为主，并在上升过程中有脱气现象或放射性4He(壳源物质)加入。在3He/4He(R/Ra)-40Ar/36Ar比值图上(图5-10)，可见采自金矿样品中具有较高的3He/4He和40Ar/36Ar比值，而围岩则明显偏低。
图 5-9 中国部分矿床氦同位素浓度图
图5-10中国部分矿床3He/4He(R/Ra)-40Ar/36Ar比值图(据Mao Jingwen2002)
7)大洋结壳和火山泉3He/4He高，被认为是地幔热柱或地幔的产物(叶先仁等，2001;杜建国等，1999;孙如波等，2008)对Fe-Mn结壳稀有气体组成的研究认为，Fe-Mn结壳的稀有气体是地幔柱来源的。金银多金属矿低的稀有气体丰度较低，可能反映了地幔源区较高的脱气程度。本区53个矿床地幔氦比例为4.55～83.06，平均29.91。根据这一估算规律，并结合其他各同位素特征，银铅锌矿床氦氩同位素特征应更接近地幔热柱型。
8)与典型地幔柱型相比，本区3He/4He含量相对偏低的原因，目前较为公认的地幔柱区或热点区的样品多采自于幔源的基性岩浆岩或受深大断裂控制的热泉，这些地质体与金矿床相比，其形成过程相对较简单，受外界“干扰”较少，岩石(或水样)中捕获原始氦氩气体更多些(或保存更好些)，故所测得数据往往较高(n×10-6)。研究发现，除了像白云鄂博、金川、柿竹园等超大型矿床外，在大多数矿床中，直接以幔源热流体形式上侵并成矿的比例一般是较小的，而大量矿质应是搭载于地幔热柱多级演化的某种载体上升，并在不断演化中逐渐成矿。期间不可避免地会加入壳源物质(包括放射性氦、氩气体)，从而造成3He/4He比值的降低。伴随着成矿物质的氦、氩气体在漫长的迁移过程中，不可避免地有部分壳源流体加入，使得所测样品的氦氩同位素值往往界于地壳和地幔之间。因此，与正常岩石相比，较高的3He/4He和R/Ra值在一定程度上反映出地幔热流体参与了成矿过程。
上述4个成矿集中区120余个金银多金属矿床硫、铅、碳、氢、氧、硅、氦及氩同位素组成及其统计规律，充分证明成矿物质总体上确应来源于地球深部，而绝非地壳，也非地幔，更可能是来自于核幔边界，随地幔热柱-幔枝构造多级演化从深部迁移到地球表面，时间上为印支-燕山期为主。此时，中国东部岩石圈的大规模拆沉作用发生，岩石圈变薄，来自软流圈的高热物质直接涌入下地壳，导致大规模花岗质岩浆上侵，正是在这种大环境中，出现了十分壮观又有地域特色的东部中生代大规模成矿作用(毛景文等，1999;华仁民等，1999)。
