1、氦同位素地球化学研究简介氦同位素地球化学研究简介1 1.氦同位素的地球化学基础氦同位素的地球化学基础2.2.氦同位素的分析方法氦同位素的分析方法3.3.氦同位素在地球化学研究中应用氦同位素在地球化学研究中应用 氦（氦（He）化学性质不活泼，）化学性质不活泼，不参与各种化学反应过程。氦具不参与各种化学反应过程。氦具有极强的扩散和迁移能力。有极强的扩散和迁移能力。在太在太阳系乃至整个宇宙空间，氦的丰阳系乃至整个宇宙空间，氦的丰度均很高。度均很高。在地球物质中，氦的在地球物质中，氦的丰度极低，但广泛分布于自然界丰度极低，但广泛分布于自然界各种物质之中。各种物质之中。氦的地球化学性质氦的地球化学性质氦
2、有两种同位素：氦有两种同位素：3He，4He氦的同位素氦的同位素氦有三种成因类型：氦有三种成因类型：（1 1）元素合成阶段形成的原始氦）元素合成阶段形成的原始氦 3He/4He比值为比值为nl0l0-4-4（2 2）铀钍等衰变及由这些过程诱发的核）铀钍等衰变及由这些过程诱发的核反应产生的放射性成因氦反应产生的放射性成因氦 3He/4He比值小于比值小于nl0-8（3 3）高能宇宙射线轰击陨石等物质引起）高能宇宙射线轰击陨石等物质引起的散裂反应，产生宇宙成因氦的散裂反应，产生宇宙成因氦 3He/4He比值高达比值高达n10-1氦的成因类型氦的成因类型 自然界各种物质中的氦实际上自然界各种物质中的
3、氦实际上是上述是上述3种不同成因氦的不同比例种不同成因氦的不同比例的混合。的混合。太阳风、宇宙尘、陨石中的氦太阳风、宇宙尘、陨石中的氦主要是宇宙成因氦与原始氦的混主要是宇宙成因氦与原始氦的混合，其氦丰度和合，其氦丰度和3He/4He 比值均很比值均很高。宇宙尘的高。宇宙尘的3He/4He比值为比值为 2.4l0-4,4He含量为含量为1.25l0-1 cm3 STP/g。氦同位素地球化学氦同位素地球化学-1-1 地球样品中的氦主要是放射性地球样品中的氦主要是放射性成因氦和地球原始氦的混合。成因氦和地球原始氦的混合。陆壳岩石富含陆壳岩石富含U、Th等放射性等放射性元素，元素，U、Th衰变产生衰变
4、产生4He ，使，使陆壳岩石的陆壳岩石的3He/4He比值普遍较比值普遍较低，低，10-8。氦同位素地球化学氦同位素地球化学-2-2 地幔中放射性元素含量很低，衰变产生地幔中放射性元素含量很低，衰变产生的的4He很少，使其基本保持了地球形成时很少，使其基本保持了地球形成时原始地幔的氦同位素特征。其中原始地幔的氦同位素特征。其中MORB的的3He/4He比值平均为比值平均为1.2 10-5；地幔热点；地幔热点的的3He/4He比值相对较高，大于比值相对较高，大于2.1 10-5 地球大气氦的地球大气氦的3He/4He比值非常稳定，为比值非常稳定，为1.4 10-6。它是地球长期演化的结果。它是地
5、球长期演化的结果。氦同位素地球化学氦同位素地球化学-3-3 海底热液中的氦主要是地幔氦与大海底热液中的氦主要是地幔氦与大气氦的混合，其气氦的混合，其3He/4He 比值介于地比值介于地幔氦和大气氦之间，为幔氦和大气氦之间，为n10-6 n10-5。大陆热液中的氦主要是地幔、地壳大陆热液中的氦主要是地幔、地壳和大气三者或其中二者的混合，其和大气三者或其中二者的混合，其3He/4He 比值变化范围较大，比值变化范围较大，10-8 10-5。氦同位素地球化学氦同位素地球化学-4-4氦同位素在地球上的分布氦同位素在地球上的分布氦同位素在自然界中的变化范围巨大，不同成氦同位素在自然界中的变化范围巨大，不
6、同成因和来源的氦其丰度和同位素组成明显不同。因和来源的氦其丰度和同位素组成明显不同。4He=10-110-8 cm3STP/g，3He/4He=10-1 10-8，引起氦同位素变化的主要原因有：引起氦同位素变化的主要原因有：()()氦的来源氦的来源 ()()U、Th等放射性元素含量及矿物岩石的等放射性元素含量及矿物岩石的 形成年龄；陨石等地外物质的暴露年龄形成年龄；陨石等地外物质的暴露年龄（）同位素分馏）同位素分馏（）体系封闭特性）体系封闭特性氦同位素地球化学氦同位素地球化学-5-5根据物质的来源和氦同位素的特征，将根据物质的来源和氦同位素的特征，将自然界中的氦储库分为自然界中的氦储库分为4
7、4类：类：一一.地外物质，包括陨石和宇宙尘等；地外物质，包括陨石和宇宙尘等；二二.地球物质：地球物质：1.1.地幔物质，包括上地幔和下地幔；地幔物质，包括上地幔和下地幔；2.2.地壳物质；地壳物质；3.3.地球大气。地球大气。氦的来源氦的来源 矿物岩石的矿物岩石的U、Th含量越高，形成含量越高，形成年龄越大，积累的放射性成因年龄越大，积累的放射性成因4He越越多，其多，其3He/4He 比值就越低。陨石等比值就越低。陨石等宇宙物质在宇宙射线中暴露的时间宇宙物质在宇宙射线中暴露的时间越长，积累的宇宙成因越长，积累的宇宙成因3He越多，其越多，其3He/4He 比值越高。比值越高。放射性元素含量及
8、放射性元素含量及矿物岩石的形成年龄矿物岩石的形成年龄氦在扩散、迁移、溶解、吸附等过程中氦在扩散、迁移、溶解、吸附等过程中的同位素分馏是引起氦同位素变化另一的同位素分馏是引起氦同位素变化另一个重要原因，但由分馏引起的氦同位素个重要原因，但由分馏引起的氦同位素变化相对较小。变化相对较小。同位素分馏同位素分馏氦是扩散能力非常强的气体，许多矿物氦是扩散能力非常强的气体，许多矿物的氦同位素封闭温度普遍较低，对后期的氦同位素封闭温度普遍较低，对后期改造事件反映非常灵敏，微弱的后期扰改造事件反映非常灵敏，微弱的后期扰动都有可能引起体系氦同位素的变化。动都有可能引起体系氦同位素的变化。体系封闭特性体系封闭特性
9、二、分析方法二、分析方法 氦同位素的分析方法主要有两种氦同位素的分析方法主要有两种:加热提取方法加热提取方法 压碎提取方法压碎提取方法加热提取法加热提取法:(1)一次性加热提取一次性加热提取 (2)分段加热提取分段加热提取 (3)激光探针加热提取激光探针加热提取压碎提取法压碎提取法:压碎法提取的主要是矿物流体包裹体压碎法提取的主要是矿物流体包裹体 中的氦。可将放射性氦降到最低。中的氦。可将放射性氦降到最低。三、氦同位素的应用研究三、氦同位素的应用研究 1.1.研究陨石起源演化，示踪陨石撞击研究陨石起源演化，示踪陨石撞击事件，区分地内、地外物质。事件，区分地内、地外物质。2.2.划分地幔类型，研
10、究壳幔相互作用、划分地幔类型，研究壳幔相互作用、地幔交代作用、地幔流体成矿作用，判地幔交代作用、地幔流体成矿作用，判定地幔热柱是否存在。定地幔热柱是否存在。3.3.探讨地外因素对地球气候环境的影探讨地外因素对地球气候环境的影响，预报地震。响，预报地震。氦同位素在陨石撞击事件氦同位素在陨石撞击事件中的应用中的应用 陨石和宇宙尘的氦丰度和同位素组成与陨石和宇宙尘的氦丰度和同位素组成与地球物质明显不同，微量微陨石或宇宙尘的地球物质明显不同，微量微陨石或宇宙尘的加入即可造成地内物质明显的氦同位素异常。加入即可造成地内物质明显的氦同位素异常。Farley（1998）用氦同位素研究深海沉）用氦同位素研究深
11、海沉积物中积物中36Ma前发生的前发生的2次撞击事件。次撞击事件。He同位同位素异常与素异常与Ir异常和异常和Popigai、Chesapeake陨石陨石坑的位置完全重合，但坑的位置完全重合，但He同位素的异常强度同位素的异常强度较较Ir异常高得多，异常持续时间达异常高得多，异常持续时间达2.5Ma。氦含量和同位素组成在氦含量和同位素组成在Massignano Quarry剖面和剖面和Massicore 钻孔中的分布钻孔中的分布A 3He含量含量B 3He/4He比值比值C 地外地外3He含量含量地外地外3 3HeHe通量和宇宙尘通量变化与撞击事件之间的关系通量和宇宙尘通量变化与撞击事件之间的
12、关系（曲线为通过近日点的频率）（曲线为通过近日点的频率）251.4Ma前，在前，在P-T界线附近发生了大规模界线附近发生了大规模地生物灭绝事件，使地生物灭绝事件，使90%的海洋生物，的海洋生物，70%的陆地脊椎动物和绝大部分陆地植物灭绝。的陆地脊椎动物和绝大部分陆地植物灭绝。这次灭绝事件可能与某个灾变事件有关。这次灭绝事件可能与某个灾变事件有关。可能原因有：陨石撞击、大规模火山喷发、可能原因有：陨石撞击、大规模火山喷发、海洋缺氧和气候变化等。海洋缺氧和气候变化等。Becker（2001）在梅山和日本）在梅山和日本Sasayama P-T界线粘土层中发现了富勒烯（界线粘土层中发现了富勒烯（C60
13、C200）。）。富勒烯中的富勒烯中的He的的3He/4He比值高达比值高达10-4，与碳，与碳质球粒陨石相似，表明陨石撞击可能是引起质球粒陨石相似，表明陨石撞击可能是引起生物绝灭的原因。生物绝灭的原因。富勒烯捕获惰性气体的示意图富勒烯捕获惰性气体的示意图中国梅山和日本中国梅山和日本SasayamaSasayama P-T P-T界线沉积物激光解吸质谱界线沉积物激光解吸质谱中国梅山中国梅山（甲苯提取）（甲苯提取）日本日本SasayamaSasayama（四甲苯提取）（四甲苯提取）中国梅山中国梅山（四甲苯提取）（四甲苯提取）日本日本SasayamaSasayama P-T P-T界线沉积物和富勒烯
14、的氦同位素组成界线沉积物和富勒烯的氦同位素组成P-TP-T界线沉积物中界线沉积物中4040Ar/Ar/3636ArAr与与3 3He/He/3636ArAr关系图关系图宇宙尘的氦同位素研究宇宙尘的氦同位素研究 Ozima（1984）在深海沉积物中首先发现）在深海沉积物中首先发现宇宙尘，引起人们的重视。宇宙尘，引起人们的重视。Farley（1997）研究了宇宙尘进入地球大研究了宇宙尘进入地球大气圈时的受热情况和宇宙尘对氦的保存能力。气圈时的受热情况和宇宙尘对氦的保存能力。Farley（1995）根据沉积物中地外）根据沉积物中地外3He含量、含量、沉积速率和地外沉积速率和地外3He通量之间的关系，
15、计算新生通量之间的关系，计算新生代以来宇宙尘通量的变化，发现海底沉积物中代以来宇宙尘通量的变化，发现海底沉积物中地外地外3He的通量变化存在的通量变化存在10万年的周期。万年的周期。Marcantonio等发现地外等发现地外3He通量变化与地球通量变化与地球气候变化密切相关。即地外因素对地球气候的气候变化密切相关。即地外因素对地球气候的影响不可忽视。影响不可忽视。中大西洋中脊中大西洋中脊DSDP607钻孔沉积物钻孔沉积物3He含量随时间的变化含量随时间的变化地外地外3He通量随时间的变化通量随时间的变化深海沉积物的氧同位素变化深海沉积物的氧同位素变化轨道偏心率和倾角轨道偏心率和倾角 Korte
16、nkamp(1998)随后数字模随后数字模拟了宇宙尘粒子轨道演化，进一步证拟了宇宙尘粒子轨道演化，进一步证实进入地球的宇宙尘通量变化存在一实进入地球的宇宙尘通量变化存在一个个10万年的周期，该周期与地球轨道万年的周期，该周期与地球轨道偏心率的变化有关。偏心率的变化有关。在深海沉积物中观察到的地外在深海沉积物中观察到的地外3He的浓度变化周期与之相似，但存的浓度变化周期与之相似，但存在一个在一个50000年相差。年相差。小行星带内小小行星带内小行星之间的碰撞是不可避免的，大的行星之间的碰撞是不可避免的，大的碰撞将对这一周期产生叠加影响。碰撞将对这一周期产生叠加影响。宇宙尘通量与地球轨道参数之间的
17、关系宇宙尘通量与地球轨道参数之间的关系B B 地球轨道偏心率地球轨道偏心率E E 地外地外3 3HeHe通量通量磷灰石的（磷灰石的（U-Th）/He年年龄测定与热年代学龄测定与热年代学 磷灰石富含铀、钍，是（磷灰石富含铀、钍，是（U-Th）/He法法定年的理想矿物。但其封闭温度很低，只有定年的理想矿物。但其封闭温度很低，只有75。Zeitler和和Wolf等利用磷灰石的这一特性等利用磷灰石的这一特性开展磷灰石的低温热年代学研究。开展磷灰石的低温热年代学研究。House（1998）根据磷灰石的（）根据磷灰石的（U-Th）/He定年法研究了美国加利福尼亚内华达山脉定年法研究了美国加利福尼亚内华达山
18、脉的地形形成历史。的地形形成历史。A 地形剖面示意图地形剖面示意图B 埋藏深度与温度的关埋藏深度与温度的关系（系（V 山谷，山谷，R 山脊）山脊）C 山谷和山脊样品的冷山谷和山脊样品的冷却历史却历史(U-Th)/He年龄年龄沿山脉剖面的变沿山脉剖面的变化化A 海拔校正后的海拔校正后的He年龄年龄（梯形曲线为校（梯形曲线为校正后的平均年龄）正后的平均年龄）B 剖面中样品的剖面中样品的位置和海拔位置和海拔地幔岩石的氦同位素研究地幔岩石的氦同位素研究 氦同位素是区分地壳、地幔岩石，划分地幔类型，氦同位素是区分地壳、地幔岩石，划分地幔类型，研究地幔交代作用，判定地幔热柱是否存在的重要手研究地幔交代作用
19、，判定地幔热柱是否存在的重要手段。以前研究较多的是大洋地幔，最近大陆地幔的氦段。以前研究较多的是大洋地幔，最近大陆地幔的氦同位素研究日益受到人们的重视（同位素研究日益受到人们的重视（Dunai，1995；Patterson，1994）。）。Niedermann（1997）在东南太平洋的）在东南太平洋的MORB中中找到了下地幔的氦组分；找到了下地幔的氦组分；Matsumoto（1997）在澳大利亚一个幔源包体中）在澳大利亚一个幔源包体中发现了似地幔柱氖。发现了似地幔柱氖。Hanyu（1997）通过研究板块俯冲带玄武岩的氦同）通过研究板块俯冲带玄武岩的氦同位素组成，找到了地壳物质再循环的氦同位素证
20、据。位素组成，找到了地壳物质再循环的氦同位素证据。李延河等发现中国东部新生代玄武岩中幔源包李延河等发现中国东部新生代玄武岩中幔源包体和高压巨晶的体和高压巨晶的3He/4He比值大都分布在比值大都分布在110-5左左右，显示出右，显示出MORB型亏损地幔的特征。型亏损地幔的特征。蛟河地区幔源包体的蛟河地区幔源包体的3He/4He比值为比值为4.810-6；汉诺坝地区幔源包体的汉诺坝地区幔源包体的3He/4He比值为（比值为（0.157.4）10-6，较，较MORB值明显偏低，甚至低于大气的值，值明显偏低，甚至低于大气的值，说明该地区曾发生过强烈的地幔交代作用。说明该地区曾发生过强烈的地幔交代作用
21、。同一地区幔源包体和高压巨晶的氦同位素组成同一地区幔源包体和高压巨晶的氦同位素组成明显不同，表明幔源包体和高压巨晶不是同源的，明显不同，表明幔源包体和高压巨晶不是同源的，二者可能与寄主玄武岩均无必然成因联系。二者可能与寄主玄武岩均无必然成因联系。在汉诺坝地区一件石榴石巨晶中发现了异常高在汉诺坝地区一件石榴石巨晶中发现了异常高的的3He/4He比值。比值。示汉诺坝幔源包体中橄榄石，示汉诺坝幔源包体中橄榄石，汉诺坝辉石巨晶，示汉诺坝石榴石巨晶；汉诺坝辉石巨晶，示汉诺坝石榴石巨晶；示宽甸辉石巨示宽甸辉石巨晶，晶，示宽甸石榴石巨晶；示宽甸石榴石巨晶；示女山幔源包体中橄榄石，示女山幔源包体中橄榄石，示女
22、山辉石巨晶；示女山辉石巨晶；+示鹿道幔源包示鹿道幔源包体中橄榄石；体中橄榄石；定安幔源包体中橄榄石；定安幔源包体中橄榄石；示辉南幔源包体中橄榄石；示辉南幔源包体中橄榄石；示蛟河幔源包体中橄示蛟河幔源包体中橄榄石榄石中国东部新生代玄武岩中幔源包体中国东部新生代玄武岩中幔源包体和高压巨晶的氦同位素分布图和高压巨晶的氦同位素分布图汉诺坝地区玄武岩中幔源包体和高压巨晶的汉诺坝地区玄武岩中幔源包体和高压巨晶的3He-3He/4He分布图分布图 汉诺坝地区玄武岩中幔源包体和高压巨晶的汉诺坝地区玄武岩中幔源包体和高压巨晶的3He-4He分布图分布图 地幔流体的氦同位素研究地幔流体的氦同位素研究 Kenned
23、y研究与加州研究与加州San Andreas断裂带断裂带有关的地热流体，发现地热流体的有关的地热流体，发现地热流体的3He/4He比比值较高，且与地热流体的化学成分和产出的地值较高，且与地热流体的化学成分和产出的地质环境无关，从而证明了与该断裂有关的地热质环境无关，从而证明了与该断裂有关的地热流体来自地幔。流体来自地幔。上官等研究了腾冲等地热泉的氦同位素组上官等研究了腾冲等地热泉的氦同位素组成，发现温泉的氢氧同位素组成与当地的大气成，发现温泉的氢氧同位素组成与当地的大气降水相似，但降水相似，但3He/4He比值较大气的值明显偏比值较大气的值明显偏高；说明温泉水可能来自大气降水，但氦可能高；说明
24、温泉水可能来自大气降水，但氦可能来自地幔。来自地幔。San Andreas断裂带地热流体的化学成分断裂带地热流体的化学成分San Andreas断裂带地热流体的氢氧同位素组成断裂带地热流体的氢氧同位素组成San Andreas断裂带地热流体的氦同位素组成断裂带地热流体的氦同位素组成San Andreas断裂带断裂带地热流体的氦同位素地热流体的氦同位素组成在空间上的分布组成在空间上的分布氦同位素在热液矿床氦同位素在热液矿床和油气田中应用研究和油气田中应用研究 热液矿床和油气田中幔源组分的氦同位素示踪是热液矿床和油气田中幔源组分的氦同位素示踪是最近氦研究的一个热点。最近氦研究的一个热点。Stuar
25、t发现成矿早期的成矿发现成矿早期的成矿热液的热液的3He/4He比值比值1.410-6，具有幔源氦的特点。，具有幔源氦的特点。徐永昌（徐永昌（1996）发现郯庐断裂附近不少气田的）发现郯庐断裂附近不少气田的 3He/4He比值异常高，具有明显的幔源氦的加入。比值异常高，具有明显的幔源氦的加入。李延河等用压碎法分析了胶东、冀东和小秦岭等李延河等用压碎法分析了胶东、冀东和小秦岭等地区金矿的流体包裹体的氦同位素组成，发现这些金地区金矿的流体包裹体的氦同位素组成，发现这些金矿的矿的3He/4He比值普遍较高，证明了这些地区金矿的形比值普遍较高，证明了这些地区金矿的形成确实与地幔活动有关。成确实与地幔活
26、动有关。需要说明的是氦来自地幔并不等于水和金属成矿需要说明的是氦来自地幔并不等于水和金属成矿物质也来自地幔。物质也来自地幔。氦同位素在环境方面的应用氦同位素在环境方面的应用利用惰性气体研究地下水的古温度，示踪盆地利用惰性气体研究地下水的古温度，示踪盆地水循环（水循环（Castro，1998）是惰性气体同位素研）是惰性气体同位素研究的一个新的发展方向。究的一个新的发展方向。Marcantonio（1996）发现海）发现海底沉积物中地外底沉积物中地外3He的含量是的含量是海底沉积物搬运和积聚的指海底沉积物搬运和积聚的指示剂。示剂。A 深海有孔虫的氧同位素深海有孔虫的氧同位素B 深海沉积物中碳酸岩组
27、分深海沉积物中碳酸岩组分 的含量的含量C 地外地外3He含量含量D 地外地外3He通量通量A Vostok地区空地区空 气氧同位素记录气氧同位素记录B Milankovitch 日照强度变化日照强度变化C 深海沉积物的氧深海沉积物的氧同位素记录同位素记录 A Vostok地区大气氧同位素记录地区大气氧同位素记录 B 处理后的氧同位素记录处理后的氧同位素记录C 深海沉积物的氧同位素记录深海沉积物的氧同位素记录 D 处理后的氧同位素记录处理后的氧同位素记录A 日照强度减去大气日照强度减去大气18O后的剩余，反映了冰的体积变化后的剩余，反映了冰的体积变化B 日照强度减去深海有孔虫日照强度减去深海有孔
28、虫18O后的剩余，反映了冰的体积后的剩余，反映了冰的体积 和深海水温度变化和深海水温度变化C 两个剩余之间的差异，反映了深海水温度变化两个剩余之间的差异，反映了深海水温度变化A B 重建的海重建的海水水18O记录，记录，反映了冰的体反映了冰的体积和海平面变积和海平面变化化C 重建的重建的Dole效应记录效应记录D 重建的有孔重建的有孔虫虫18O记录，记录，反映了深海水反映了深海水的温度变化的温度变化E Vostok地区地区 D/H比值比值F大气大气CO2记录记录A 深海温度深海温度B 冰体积（海平面）冰体积（海平面）C D/H比值（气温）比值（气温）D CO2浓度浓度e 地球轨道偏心率地球轨道
29、偏心率t 轨道倾角轨道倾角p 运动运动南极地区气候变化与地球轨道参数之间的关系南极地区气候变化与地球轨道参数之间的关系 Shackleton（2000）对南极）对南极Vostok地区冰的体积变化、冰的氧地区冰的体积变化、冰的氧同位素变化及冰捕获的大气中同位素变化及冰捕获的大气中CO2浓度和大气氧同位素变化等进行了浓度和大气氧同位素变化等进行了系统研究，发现南极冰也存在一个系统研究，发现南极冰也存在一个10万年的冰年（万年的冰年（Ice-Age）周期。在）周期。在这个周期中大气的这个周期中大气的CO2浓度、空气浓度、空气的温度和深水温度变化与地球轨道的温度和深水温度变化与地球轨道偏心率的变化是同步的，但南极冰偏心率的变化是同步的，但南极冰的体积变化落后于上述三个指标的的体积变化落后于上述三个指标的变化。变化。Becker（1996，2000）和）和Heymann（1994）还分别在加拿大）还分别在加拿大Sudbury的撞的撞击构造中和击构造中和K-T界线界线粘土层中发现了富粘土层中发现了富勒烯的存在，在富勒烯中测得了异常高勒烯的存在，在富勒烯中测得了异常高的的3He/4He比值，比值，5.510-4 5.9-4。该值该值比报道的最大的地幔值还高一个数量级。比报道的最大的地幔值还高一个数量级。这些研究为撞击事件的成因提供了有力这些研究为撞击事件的成因提供了有力的证据。的证据。
