山東地區(qū)新生代不同類型幔源樣品中稀有氣體同位素組成與成因

曾亮，成志雁，也爾哈那提·黑扎提，馬錦龍

蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院&甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州，730000

內(nèi)容提要：稀有氣體是地球流體源區(qū)信息的有效示蹤劑。利用熱熔融法對山東地區(qū)幔源巨晶、包體全巖及其單礦物以及寄主玄武巖等幔源樣品中稀有氣體的測試表明，不同類型樣品具有明顯不同的稀有氣體同位素組成，特別是He同位素比值差異明顯。巨晶和包體單礦物中的n(3He)/ n(4He)值分別為0.87～11.31Ra、0.911～10.11Ra，均值分別為6.1Ra和3.73Ra，主體介于地?！髿狻貧ぴ磪^(qū)之間；包體全巖中n(3He)/ n(4He)值0.19～2.30Ra(均值為1.05 Ra)，且均低于相應(yīng)單礦物中該比值；而玄武巖中n(3He)/ n(4He)值全為10-8數(shù)量級，與地殼均值無異。各類幔源樣品中n(40Ar)/ n(36Ar)值無明顯差異，介于296.4～864.3，高于大氣但遠(yuǎn)低于典型地幔值。所獲有限數(shù)據(jù)中，不同類型樣品中n(20Ne)/n(22Ne)值均高于大氣，具幔源特征，其中包體全巖及其單礦物n(20Ne)/n(22Ne)值分別為10.19～12.42和10.55～11.80，無明顯差異；玄武巖中該值介于11.07～13.10，總體高于包體全巖及其單礦物。上述比值特征的差異反映了不同類型幔源樣品各自不同的成因和演化特征：巨晶和包體單礦物中的輕稀有氣體同位素組成主要反映了由于古板塊俯沖所導(dǎo)致的巖漿源區(qū)地?！髿?地殼的混合特征，個別樣品中可能存在宇宙成因3He；除單礦物中所體現(xiàn)的源區(qū)混合特征外，包體全巖還存在放射成因4He；而玄武巖在噴出地表后丟失大量地幔稀有氣體信息，其同位素組成主要體現(xiàn)了放射成因4He的影響。

稀有氣體是地球流體源區(qū)的有效示蹤劑。地球上至少存在4個稀有氣體終極源區(qū)：大氣、地殼、上地幔和地幔柱(Kaneoka and Takaoka, 1985)，它們有各自不同的稀有氣體同位素組成。其中幔源物質(zhì)中稀有氣體研究是當(dāng)今地球化學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一，特別是在巖礦成因、來源和演化的研究中被廣泛應(yīng)用。自Porcelli 等(1986)系統(tǒng)開展大陸幔源包體稀有氣體同位素研究以來，目前已對除南極大陸之外的各大陸進(jìn)行了幔源包體稀有氣體同位素組成的研究(Hilton et al.,1993; Dunai and Baur,1995; Dodson and Brandon,1999; Matsumoto et al., 2002; Aka et. al., 2004; Honda et al, 2004; Yamamoto et al., 2004; Gautheron et. al., 2005; Hopp et al., 2007; Kim et al., 2008; Czuppon et al.,2009,2010; Martelli et al., 2011, etc.)。可用于稀有氣體同位素地球化學(xué)研究的大陸幔源樣品主要包括幔源巨晶、幔源包體全巖及其單礦物、玄武巖。其中，大陸玄武巖由于其對大氣的開放性，被認(rèn)為丟失了可信的幔源稀有氣體信息，對其中稀有氣體同位素組成及其成因鮮少有人討論，僅國內(nèi)有少量公開出版的數(shù)據(jù)資料(吳茂炳等，2003；賴勇等，2005；湯華云等, 2007)；對上述各類樣品的系統(tǒng)研究、特別是對比性研究，目前尚未見報道。而這類研究對于確定大陸地幔性質(zhì)，闡明不同類型幔源物質(zhì)的成因差異、進(jìn)而探討其關(guān)系及其演化意義重大。

中國東部廣泛發(fā)育新生代玄武巖，其中含豐富幔源包體和巨晶，它們是研究東部地幔地球化學(xué)特征、探討地幔演化機(jī)制及其過程等信息的重要載體。山東半島是中國東部地區(qū)最具代表性的新生代火山巖分布區(qū)之一，幔源巖分布廣泛、類型齊全，是進(jìn)行不同類型幔源巖礦對比研究的良好區(qū)域。目前已有大量涉及該區(qū)新生代構(gòu)造運(yùn)動、巖漿作用、巖石學(xué)和地球化學(xué)等方面的研究(陳道公和彭子成，1985；金隆裕，1989；陳道公等，1990；胡受奚等，1994；樊祺誠等，1996；馬錦龍等，2004；牛漫蘭等，2005；邱檢生等，2005；Qiu et al., 2005；Zhang et al., 2006; 孫衛(wèi)東等，2008；張銘杰等，2009；閆峻等，2011；杜樂天等，2012；李佩等，2012)，這些研究對闡明中國東部的構(gòu)造環(huán)境、地幔性質(zhì)及其演化作了深入的討論。雖然已有部分東部地區(qū)幔源巖石稀有氣體同位素地球化學(xué)的研究(陶士振等，2001；李延河等，2001；徐勝和劉叢強(qiáng)，2002；吳茂炳等，2003；賴勇等，2005；湯華云等，2007；胡文瑄等，2006)，但不同類型樣品中稀有氣體的系統(tǒng)對比研究尚無開展。為進(jìn)一步探討中國東部地幔地球化學(xué)特征及其演化、比較各類型幔源樣品中稀有氣體同位素組成的差異及可能的成因，筆者通過野外實(shí)地考察和采樣，利用加熱熔融法對山東地區(qū)不同類型幔源樣品進(jìn)行了系統(tǒng)的稀有氣體同位素地球化學(xué)研究。

1 地質(zhì)背景

中國東部位于歐亞板塊的東南部，瀕臨西太平洋板塊的西緣，為中、新生代東亞北東—北北東向構(gòu)造發(fā)育地區(qū)(胡受奚等，1994)。中生代以來，由于華北板塊與揚(yáng)子板塊的碰撞拼合(環(huán)文林，1982)，古中國大陸的構(gòu)造格局發(fā)生了巨大的變化；同時與太平洋板塊的俯沖相聯(lián)系，中國東部經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造巖漿活動，這些構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致該區(qū)構(gòu)造作用加劇，同時伴隨強(qiáng)烈的巖漿作用，形成東部中、新生代巖漿火山巖帶，其分布主要受深大斷裂——郯廬斷裂帶控制。郯廬斷裂的中段稱為沂沭斷裂帶，它位于山東中部，華北地塊的東部邊緣，北過渤海凹陷伸入遼南，其東是膠東臺隆，其西是魯西臺背斜，沂沭斷裂是劃分這兩個構(gòu)造單元的分界線，是造成它們構(gòu)造分異的主導(dǎo)因素(圖1)。

中、新生代以來，沂沭斷裂發(fā)生了多期次的構(gòu)造活動，隨著這些構(gòu)造運(yùn)動發(fā)生了頻繁的巖漿活動，特別是中生代火山活動，造成該區(qū)火山巖廣布。新生代以來巖漿活動相對減弱，可大致分四期(金隆裕，1985)：① 早—中中新世(10.64～18.87 Ma)發(fā)育臨朐—昌樂和沂水—安丘兩個火山巖帶；② 晚中新世(6.17～7.78 Ma)，棲霞火山巖；③中新世晚期—上新世早期(4.39～5.70 Ma)，主要為蓬萊火山巖帶；④ 早—中更新世(0.73～0.14 Ma)，以無棣大山霞石巖為代表。巖性以堿性玄武巖為主，其中的幔源包體則以尖晶石二輝橄欖巖為主，次有輝石巖、方輝橄欖巖等；此外還有輝石等礦物巨晶發(fā)育。

圖 1 研究區(qū)構(gòu)造略圖Fig. 1 Sketch of Study Area

2 樣品處理與測試

本文所用樣品包括輝石巨晶、包體全巖及其單礦物以及寄主玄武巖，樣品主要采自采石場的新鮮斷面，可有效排除風(fēng)化蝕變等后期因素的影響。對于配套對比研究，如同時測試單礦物、全巖、巨晶及玄武巖等對象中的2種以上，測試對象均嚴(yán)格取自同一原始樣品塊體，以盡可能保證對比研究的可信性。樣品處理方法見文獻(xiàn)Ma Jinlong等(2006)。

稀有氣體同位素測量在英國生產(chǎn)的MM5400磁偏轉(zhuǎn)靜態(tài)真空質(zhì)譜計(jì)上進(jìn)行。樣品利用可耐2000℃高溫的鉬坩堝加熱，并通過全不銹鋼管線與主機(jī)連接，能保障系統(tǒng)真空度。首先將樣品置于鉬坩堝中在200℃下恒溫36h以充分排除其表面及裂隙吸附氣，然后一次性升溫至略高于樣品熔化溫度(通常約1600℃)恒溫集氣。釋出氣體依次經(jīng)過鈦海綿爐、液氮活性炭阱、Zr—Al吸氣泵等處理系統(tǒng)，這樣即可將其它主要揮發(fā)分與稀有氣體分離，并將稀有氣體分作He—Ne和Ar—Kr—Xe兩組。先將He、Ne輸入質(zhì)譜計(jì)，分別調(diào)試其測試程序，進(jìn)行同位素組成測試；通過40Ar2+與20Ne譜峰的微小差異消除殘余Ar對20Ne的影響。測試完畢后抽真空，其后將關(guān)閉的活性炭阱置于冰水混合物中冷卻30min解析Ar及Kr，輸入主機(jī)后分別測試。依據(jù)測試氣量的大小而配備有法拉第杯和電子倍增器雙接受杯，分辨率分別為≥200和≥600，倍增器后端接有離子計(jì)數(shù)器；分析儀器和處理系統(tǒng)的動態(tài)真空分別可達(dá)4×10-8Pa和5×10-7Pa以下(葉先仁等，2001)

3 測試結(jié)果和討論

3.1 稀有氣體同位素組成特征

樣品的測試結(jié)果如表1。由表可知，山東地區(qū)幔源包體單礦物(橄欖石、輝石)的n(3He)/n(4He)值介于1.275×10-6～14.16×10-6，相當(dāng)于0.911～10.11Ra(Ra為大氣的n(3He)/n(4He)值)，平均值為3.73 Ra，但5個樣品中有4個在2.8Ra以下，一個例外是樣品TL-CH-Q-37(n(3He)/n(4He)=10.11 Ra) 有高于大洋中脊玄武巖(MORB,n(3He)/n(4He)≈8.0 Ra, Ozima and Podosek, 2002)或大洋地幔的n(3He)/n(4He)值(7.0～8.5 Ra, Yamamoto et al., 2009)。與單礦物相比，包體全巖的n(3He)/n(4He)值明顯偏低，為0.2691×10-6～3.222×10-6，均值為1.05 Ra，且都低于同一包體中單礦物的n(3He)/n(4He)值。研究區(qū)采集到兩類礦物巨晶，其中磁鐵礦巨晶的n(3He)/n(4He)值為3.4 Ra；輝石巨晶的3He/4He值除1個樣品很低(1.221×10-6)外，其余3個較高，為8.62×10-6～15.84×10-6，即6.16～11.31 Ra?？傮w而言，山東地區(qū)幔源包體和巨晶的n(3He)/n(4He)值與河北漢諾壩幔源包體類似(徐勝和劉叢強(qiáng), 2002)，而較東北地區(qū)(陶士振等，2001; 徐勝和劉叢強(qiáng), 2002; 吳茂炳等, 2003)同類樣品的該比值略低，與受太平洋板塊俯沖作用影響的美國西部(Dodson and Brandon, 1999; Mohapatra and Murty, 2000)、安第斯山區(qū)幔源包體和斑晶相近(Hilton et al., 1993)，也與俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)同類樣品類似(Yamamoto et al., 2004)，而較澳大利亞(Matsumoto et al., 2002; Czuppon et al., 2009,2010)、非洲大陸 (Hopp et al., 2007)、歐洲大陸等地區(qū)幔源包體類偏低(Dunai and Baur, 1995; Gautheron et al., 2005; Martelli et al., 2011)。山東地區(qū)玄武巖的n(3He)/n(4He)值極低，均為10-8量級，與地殼平均值類似。

山東地區(qū)各類幔源樣品的n(40Ar)/n(36Ar)值普遍較低，分布范圍從近于大氣值(296.4)到864.3，且大多數(shù)在400以下；巨晶中n(40Ar)/n(36Ar)值低而均一，變化于296.4～317.4這一狹小范圍，非常接近大氣值(295.5)；包體全巖與玄武巖的n(40Ar)/n(36Ar)值變化略大，分別為317.9～555.1和324.8～864.3。研究表明，中國東部幔源包體的n(40Ar)/n(36Ar)值(陶士振等，2001；李延河等, 2002；徐勝和劉叢強(qiáng), 2002; 吳茂炳等，2003)與地理上鄰近的日本Oki-Dogo島、Ichinomegata火山巖(Nagao et al., 1993; Sumino et al.,2004; Doan et al., 2006; Yamamoto et al., 2009)和俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)(Yamamoto et al., 2004)幔源巖石類似，而較世界許多大陸地區(qū)(Dunai and Baur, 1995; Dodson and Brandon, 1999; Matsumoto et al., 2002; Gautheron et al., 2005; Hopp et al., 2007; Czuppon et al., 2009, 2010)同類樣品低，也遠(yuǎn)低于MORB(≥40000, Burnard et al., 1997)。

由于含量極低，加之有限的樣品量，Ne同位素的測試較為困難，僅獲得少量數(shù)據(jù)。從目前的數(shù)據(jù)來看，不論包體單礦物還是寄主玄武巖，n(20Ne)/n(22Ne)都高于大氣值(9.80, Ozima and Podosek, 2002)，介于10.19～13.10之間，特別是玄武巖中該值普遍偏高(11.047～13.10)。這些值與大洋中脊、洋島等區(qū)幔源包體基本一致。已有的研究表明(吳茂炳等, 2003)，遼寧寬甸幔源包體具高于大氣的n(20Ne)/n(22Ne) 值(9.80～11.29)，但平均值低于山東地區(qū)；輝南、漢諾壩幔源包體n(20Ne)/n(22Ne)值與大氣相近，主要反映了大氣特征。

3.2 不同類型幔源樣品中稀有氣體的成因

上述測試結(jié)果表明，有共生/伴生關(guān)系不同類型幔源樣品具有明顯不同的稀有氣體同位素組成特征，反映出它們在成因上存在的差異性。

研究表明，地球不同流體源區(qū)的稀有氣體同位素組成明顯不同(Kaneoka and Takaoka,1985; Ozima and Podosek, 2002)，以n(3He)/n(4He)值最為突出，其在大氣、上地幔(或MORB源區(qū))、地幔羽(或OIB源區(qū))和地殼中分別為1.4×10-6(記作Ra)、8.0±1.0 Ra、>8.0Ra和約10-8數(shù)量級；n(40Ar)/n(36Ar)值在大氣中為295.5，地幔中多數(shù)在4000以上，而地殼中該值的變化范圍較寬；地球上n(20Ne)/n(22Ne)值存在兩個明顯的端元：大氣和地幔，其值分別為9.8和12.5。但地表巖石中的稀有氣體同位素組成通常很難與上述源區(qū)完全對應(yīng)，而多數(shù)是在這些端元值之間變化。

3.2.1 二輝橄欖巖包體中單礦物

與包體全巖及其寄主玄武巖比較，放射性元素U、Th、K等含量很低的單礦物——橄欖石和輝石，因其中的次生混染和放射性增生的影響最小，更好地保存了其源區(qū)的地球化學(xué)信息，故而更能代表源區(qū)特征(Ozima and Podosek, 2002)。

圖 2 幔源單礦物3He/36Ar—40Ar/36Ar相關(guān)圖 美國西部資料據(jù)Dodson(1999)原始數(shù)據(jù)；大氣和MORB資料據(jù)Ozima and Podosek(2002)原始數(shù)據(jù)Fig. 2 3He/36Ar—40Ar/36Ar relationship of separate minerals Data of Western America from Dodson(1999) and those of Air and MORB from Ozima and Podosek(2002)

已有的研究(Ma Jinlong et al., 2006)表明，不同流體源區(qū)的混合是造成研究區(qū)巖礦中稀有氣體同位素比值變化的主要因素，山東地區(qū)幔源單礦物具有大氣—地幔源區(qū)的混合特征。美國西部Simcoe地區(qū)幔源包體單礦物的n(40Ar)/n(36Ar)值為280.9～463.8，部分樣品的n(3He)/n(4He)值低至4.14～4.86 Ra，其n(3He)/n(36Ar)—n(40Ar)/n(36Ar) 相關(guān)圖與山東地區(qū)非常相像(圖2)，Dodson等(1999)認(rèn)為板塊俯沖所引起的交代作用及放射成因組分的加入是其主要原因。值得指出的是，Simcoe地區(qū)鄰近美國西部著名的San Andreas大斷裂，與本文研究區(qū)具有可以類比的構(gòu)造環(huán)境。

關(guān)于大氣—地幔源區(qū)混合的機(jī)制或可能途徑有：巖漿噴出地面時大氣的混染、巖石裸露后大氣的長期滲透和俯沖板塊帶入地幔源區(qū)的大氣。對于幔源包體而言，一般認(rèn)為不存在第一種途徑；第二種途徑雖然存在，但影響程度可能有限，因?yàn)槭澜缟线€有許多地區(qū)裸露地表幔源包體的稀有氣體同位素組成并未顯示出較明顯的大氣混染特征(Porcelli et al., 1986)，特別是熱點(diǎn)區(qū)(Marty et al., 1996)。因此，板塊俯沖帶入地幔源區(qū)的大氣成為最大的可能性。這個結(jié)論也在其它地區(qū)幔源巖礦的類似研究中得到了進(jìn)一步的證明(Nagaoet al., 1993; Hilton et al., 1993; Matsumotoet al., 2002; Ikeda et al., 2001; Fischer et al., 2002; Honda et al., 2004; Sarda, 2004;Yamamoto et al., 2004; Qiu et al., 2005; Gurenko et al., 2006; Holland and Ballentine, 2006; Matsumoto, 2006; Mohapatra and Honda, 2006; Martelli et al., 2011; Hopp and Ionov, 2011)。

中國東部中生代以來幔源火成巖的成因及其構(gòu)造動力有地幔柱上隆(肖龍等，2004) ，拆沉作用(吳福元等，2003，邱檢生等，2005；閆峻等，2011)，古(太平洋板塊等)板塊的俯沖(朱光等，2004；李延興等，2006；徐義剛，2006；孫衛(wèi)東等，2008；葉興樹和王偉鋒，2008；閆峻等，2011)等模式之爭，但現(xiàn)階段只有俯沖與重循環(huán)作用獲得較普遍的共識和觀測的證實(shí)(周新華，2006)?；诒疚牡姆治鲇懻摚瑫r考慮到具體的大地構(gòu)造背景：研究區(qū)不僅受西太平洋俯沖板塊的影響，而且早在中生代初揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞(夏邦棟和李培軍, 1996；Zhang, 1997)之前的俯沖作用以及中生代末庫拉板塊在亞洲東部的俯沖消亡(環(huán)文林等，1982)，不僅可使該區(qū)上地?；烊氲貧の镔|(zhì)，而且也隨之帶入大氣組分。故筆者等認(rèn)為山東乃至中國東部幔源包體的稀有氣體同位素特征可能反映了古板塊俯沖所引起的地殼—地幔—大氣源區(qū)的混合作用。中國東部幔源巖中微量元素(Tatsumoto et al.,1992; Chung Sunlin，1999；Zou et al., 2000; Yang et al., 2004;Liu et al., 2010)和Li同位素等(李佩等，2012)研究結(jié)果也支持這一結(jié)論。

3.2.2 巨晶

山東地區(qū)新生代玄武巖中幔源巨晶類型多樣，有輝石、石榴子石、磁鐵礦、剛玉、歪長石和鋯石巨晶等，其成因或是巖漿上升的捕獲體，或與玄武巖漿同源分異結(jié)晶的產(chǎn)物。單斜輝石巨晶在其元素組成、REE模式等方面均不同于地幔巖包體，而是很接近于寄主玄武巖，因而被認(rèn)為是由玄武巖漿結(jié)晶而來的產(chǎn)物(邱家驤和林培英，1988)。本文樣品以普通輝石巨晶為主，故其物質(zhì)組成可代表源區(qū)本身的特征。由于樣品數(shù)量較少，研究區(qū)巨晶中He、Ar同位素比值的變化趨勢尚難以清晰描述，但其總的特征是：n(40Ar)/n(36Ar) 值低而穩(wěn)定，n(3He)/n(4He)值則變化較大。這個特征與該區(qū)已有的剛玉、歪長石巨晶(胡文瑄等，2006)的研究結(jié)果類似。輕稀有氣體同位素相關(guān)圖是判識其來源的常用有效手段，由于數(shù)量所限，本文巨晶樣品在n(3He)/n(36Ar)—n(20Ne)/n(36Ar)相關(guān)圖(圖3)上的源區(qū)歸屬難以明確界定，但顯然與OIB所代表的地幔羽無明顯關(guān)系。

至于巨晶中較高、特別是高于MORB的n(3He)/n(4He)值，我國東部巨晶中多有出現(xiàn)(吳茂炳等，2003；李延河等，2001；胡文瑄等，2006)，由于目前尚無可信的地幔羽存在的證據(jù)(Zhao, 2004)，因而無人將其歸因于研究區(qū)地幔羽的存在，或認(rèn)為成因不詳，或認(rèn)為宇宙成因3He的影響。本文中高n(3He)/n(4He)值樣品(包括前文單礦物樣品TL-CH-Q-37)均來自昌樂喬山，該區(qū)包體全巖和單礦物n(3He)/n(4He)值也是本次研究同類樣品中最高的，反映了該區(qū)幔源物質(zhì)n(3He)/n(4He)值的總體特征。高n(3He)/n(4He)樣品的這種分布讓我們推測喬山地區(qū)部分幔源樣品可能積累了少量宇宙成因3He。這一觀點(diǎn)也被同一研究區(qū)幔源剛玉巨晶稀有氣體的研究者所持有(胡文瑄等，2006)。

圖 3 巨晶中3He/36Ar—20Ne/36Ar相關(guān)圖Fig. 3 3He/36Ar—20Ne/36Ar in Megacryptal

3.2.3 包體全巖

中國東部玄武巖中的橄欖巖包體的成因有兩類：偶然包體和殘余包體(又稱成因包體)(莫萱學(xué)，1988)，分別為寄主巖漿上升途中偶然捕獲的超鎂鐵巖碎塊或上地幔原始物質(zhì)經(jīng)局部熔融出寄主巖漿后的難熔殘余。除主要造巖礦物橄欖石、輝石外，幔源包體全巖中尚有次要礦物及粒間組分存在。粒間組分或?yàn)楹笃谝蛩厮?，或?yàn)榘w礦物部分熔融的產(chǎn)物，也有可能源自地幔源區(qū)。已有的研究(徐義剛，1999，2000)表明，幔源包體中大離子親石元素(如U、Th等)主要存在于粒間組分中，其U、Th含量分別相當(dāng)于輝石礦物的5～10倍和3～9倍。因而包體全巖含有較單礦物高得多的U、Th等放射性組分，其結(jié)果使得全巖中4He等放射成因組分明顯增加。

由表2可知，3He豐度在包體全巖(均值0.13×10-12cm3/g)與單礦物(均值0.21×10-12cm3/g)中差異不大，而4He平均豐度差異極大，分別為17.30×10-8cm3/g和5.39×10-8cm3/g，這導(dǎo)致包體全巖n(3He)/n(4He)值遠(yuǎn)較其中的單礦物低得多。對于同一包體而言，這種對比尤為明顯。由圖4可以看出，n(3He)/n(4He)值在全巖中遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相應(yīng)的單礦物。值得注意的是，包體全巖的n(40Ar)/n(36Ar)值普遍高于單礦物，表明少量放射成因40Ar的存在。這些特征都表明，全巖中相對更富放射性成因的4He和40Ar，也進(jìn)一步證明了全巖中粒間組分的增生效應(yīng)。因而，包體全巖的He、Ar同位素組成明顯反映出放射成因組分的影響，這種影響甚至掩蓋了單礦物中稀有氣體所反映的源區(qū)混染/交代作用的影響。

表 2 不同類型樣品中He、Ar同位素平均含量(cm3/g)Table 2 Mean abundance of isotope of He and Ar in different kinds of samples(cm3/g)

3.2.4 玄武巖

由于不同源區(qū)明顯不同的同位素組成，He同位素組成最能反映其源區(qū)構(gòu)成及其演化特征。研究區(qū)新生代玄武巖He同位素組成具有殼源特征，這也得到了近期研究(Tang et al.，2007)的支持。

由表2和圖5可以看出，3He的平均含量從巨晶、單礦物、包體全巖到玄武巖依次降低，4He的平均含量在玄武巖中異常地高，即玄武巖在具有最低3He含量的同時卻具有遠(yuǎn)高于其他類型樣品的4He含量。不同巖礦間3He豐度的差異主要反映了它們對He的保存能力和源區(qū)流體分布的不均一性，而4He豐度的差異還與放射性增生有關(guān)(Ozima and Podosek, 2002)。已有的研究表明，基性巖中U、Th等放射性元素的豐度遠(yuǎn)高于超基性巖(徐義剛，1999，2000)。因而，相對于幔源包體，玄武巖中放射成因組分的影響程度更高。而且這種影響還與巖石年齡有關(guān)。已有的研究表明，山東地區(qū)玄武巖中放射性元素含量相對較高，其中臨朐—昌樂、沂水和棲霞地區(qū)U含量分別為0.48×10-6～0.69 ×10-6、1.25×10-6和2.14×10-6，Th含量分別為1.55×10-6～3.13×10-6、4.42×10-6和10×10-6(陳道公和彭子成，1985；金隆裕，1989)。這些巖石的年齡主要介于13～18 Ma，棲霞地區(qū)有低至6 Ma者(金隆裕，1985；陳道公和彭子成，1985；王慧芬等，1988)。這些資料也支持上述有關(guān)本區(qū)玄武巖中含有較高的放射成因的4He組分的結(jié)論，進(jìn)一步肯定了其中放射成因組分的影響。

圖 4 包體全巖與單礦物中n(3He)/ n(4He)比較Fig. 4 n(3He)/ n(4He) in whole rocks and separates

圖 5 不同類型樣品中4He豐度Fig. 5 4He abundance in different kinds of samples

由于極小的原子半徑，He原子極易滲透逃逸，但這種情況在巨晶和單礦物包裹體中通常不予考慮；而玄武巖中大量氣體(包括稀有氣體)的逃逸則是顯而易見的。流體逸散過程中同位素的分餾也是導(dǎo)致玄武巖n(3He)/n(4He)值降低的可能因素之一。大陸玄武巖斑晶的n(3He)/n(4He)值略低于MORB值，但4He豐度則相對低得多。如埃塞俄比亞裂谷海底玄武巖He的平均豐度為17.4×10-8cm3/g，n(3He)/n(4He)平均值為12.9 Ra；而該區(qū)大陸玄武巖斑晶He平均豐度僅為4.67×10-8cm3/g，n(3He)/n(4He)值也相應(yīng)偏低，為6.89 Ra(Marty et al., 1996)。這種差異表明，在巖漿作用過程中，大陸玄武巖中有更多的He已逃逸，而且3He逃逸的比例相對更大，從而使3He與4He間產(chǎn)生了明顯的分餾效應(yīng)。山東地區(qū)巨晶、包體單礦物和全巖及玄武巖的3He平均豐度分別為0.43、0.21、0.13和0.08(10-12cm3/g)，即玄武巖的3He平均豐度最低，故其n(3He)/n(4He)值的降低亦有擴(kuò)散分餾造成的影響。

與He比較，玄武巖中n(20Ne)/n(22Ne)反映了地幔源區(qū)特征，這或許是由于玄武巖對Ne相對好的保存性所致。He的丟失分餾、以及4He的放射性增生，共同導(dǎo)致了He與Ne同位素組成的反映源區(qū)信息的差異 (Stroncik et al., 2007)。

4 結(jié)論

通過對山東地區(qū)不同類型幔源樣品中稀有氣體的同位素組成特征與成因分析，獲得了如下主要認(rèn)識：

(1) 不同類型幔源樣品中稀有氣體同位素組成有較明顯的差異，這與其各自在物質(zhì)組成及所經(jīng)歷的地質(zhì)過程方面的差異有關(guān)；

(2) 巨晶和包體單礦物中的n(3He)/n(4He)值分別為0.87～11.31 Ra和0.911～10.11 Ra，均值分別為6.1 Ra和3.73 Ra，分別略低于和明顯低于典型的上地幔值，反映出地?！髿庠磪^(qū)的混合特征，與板塊俯沖作用下混合源區(qū)的特征類似；包體全巖中n(3He)/n(4He)值為0.19～2.30 Ra，且均低于相應(yīng)的單礦物，可能主要與與包體粒間組分中U、Th所產(chǎn)生的放射成因4He的貢獻(xiàn)有關(guān)；玄武巖的n(3He)/n(4He)值極低，均為10-8量級，主要是放射成因4He的貢獻(xiàn)，其次是巖漿噴發(fā)時He溢散過程中同位素分餾作用的影響；

(3) 各類幔源樣品的n(40Ar)/n(36Ar)值介于296.4～864.3，遠(yuǎn)較典型地幔值低，且相互間的差異很小，主要反映了板塊俯沖帶入大氣氬的影響，而玄武巖可能還有巖漿噴出后的大氣混染；

(4) 有限的Ne同位素?cái)?shù)據(jù)表明，研究區(qū)幔源樣品的n(20Ne)/n(22Ne)值為10.19～13.10，不同類型樣品間差異不明顯，均具幔源特征。

致謝：感謝審稿專家和責(zé)任編輯對本文提出的修改建議。