ПЕТРОЛОГИЯ, 2004, том 12, № 5, с. 451-466
УДК 550.42
Sm-Nd И Lu-Hf ИЗОТОПНЫЕ СИСТЕМЫ ЗЕМЛИ: ОТВЕЧАЮТ ЛИ ОНИ ХОНДРИТАМ?
© 2004 г. Ю. Ä. Костицын
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, ул. Косыгина, 19, Россия; e-mail: kostitsyn@geokhi.ru Поступила в редакцию 26.01.2004 г.
В статье приводится критический анализ современных представлений о величинах отношений 143Nd/144Nd, 176Hf/177Hf, 87Sr/86Sr и Sm/Nd, Lu/Hf, Rb/Sr в примитивной мантии Земли. Рассмотрены основные противоречия, вытекающие из модели хондритового однородного резервуара (CHUR) для состава примитивной мантии (DePaolo, Wasserburg, 1976a). К ним относятся: (1) высокая магматическая продуктивность обедненной, деплетированной мантии (DM) при отсутствии устойчивого изотопного сигнала из примитивной мантии (PM); (2) наличие большого количества геохимически обогащенных пород, в частности щелочных базальтов, с изотопными характеристиками DM; (3) обедненность источника базальтов HIMU в Nd-Sr-Hf изотопной системе при его обогащенности в U-Pb системе; (4) масс-балансовые расчеты для Sm-Nd изотопной системы коры и мантии заставляют ограничивать массу DM, которая послужила источником для коры, до 1/4 - 1/5 от общей массы мантии, однако в этом случае не сходится баланс для Rb-Sr и U-Pb систем, для ряда других элементов; (5) прямые выплавки из PM при высоких степенях плавления должны иметь изотопный состав неодима и Sm/Nd отношение близкие к составу источника, однако до сих пор не обнаружены породы, близкие по составу к CHUR одновременно по обоим этим параметрам. Перечисленные противоречия удается разрешить лишь при допущении, что Sm/Nd отношение примитивной мантии отличается от состава CHUR на 8%. Оценка современного состава PM приводит к следующим параметрам:
eNd = +9, 143Nd/144Nd = 0.51310, Sm/Nd = 0.350;
eHf = +13, 176Hf/177Hf = 0.28323, Lu/Hf = 0.264;
eSr = -24, 87Sr/86Sr = 0.7028, Rb/Sr = 0.020.
Возможная неопределенность оценки изотопного состава неодима при этом может достигать ±1 eNd. Изотопный эффект в Sm-Nd, Lu-Hf и Rb-Sr системах от экстракции земной коры из мантийного вещества значительно меньше наблюдаемых изотопных вариаций в мантийных породах.
Наиболее популярные, практически общепринятые изотопно-геохимические модели строения и эволюции мантии (Zindler, Hart, 1986; Allègre, Lewin, 1989; Hofmann, 1997) вслед за моделью Де-Паоло и Вассербурга (DePaolo, Wasserburg, 1976a, b) предполагают, что Sm-Nd система примитивной мантии Земли отвечает хондритовому однородному резервуару (CHUR). Однородным он был назван потому, что хондриты разных групп оказались весьма гомогенными по величине Sm/Nd отношения (Jacobsen, Wasserburg, 1980, 1983). В Lu-Hf изотопной системе также в качестве оценки для примитивной мантии принимаются данные Тацумото с коллегами (Tatsumoto et al., 1981), полученные ими для хондритов.
В Rb-Sr и U-Pb изотопных системах такого соответствия между составом мантии и хондритами не наблюдается: в хондритах Rb/Sr отношения выше примерно на порядок, чем в земной мантии, а U/Pb отношение - на порядок ниже (Wasson, Kallemeyen, 1988). Тем не менее остается общепринятым допущение, что Sm/Nd и Lu/Hf отношения для земной мантии в точности равны хондритовым.
Проверить это допущение прямым сравнением состава хондритов и земных пород невозможно. В редких нодулях лерцолитов, которые могли бы характеризовать примитивную мантию Земли (Griffin et al., 1988; Kramm, Wedepohl, 1990; Alibert, 1994; Ionov et al., 1995b), разброс содержаний Sm, Nd, Lu, Hf и их отношений слишком велик, чтобы делать на этой основе достоверные оценки.
Однако к настоящему времени накоплено большое количество анализов изотопного состава неодима и гафния в различных породах мантийного происхождения, на основе которых возможна оценка величин Sm/Nd и Lu/Hf отношений не только для их непосредственного источника, но и для всей мантии, принимавшей участие в петроге-незисе на протяжении истории Земли. Решению этой задачи и посвящена настоящая статья.
Знание реального состава примитивной, недифференцированной мантии имеет фундаментальное значение не только для геохимии, но и для других ветвей наук о Земле, для правильного понимания процессов, происходящих в ее недрах.
0.5131
,0.5127
■о
¿F 0.5123
0.5119
^CHUR " " ^ -^--Vrfrf - " -■ i
D I л^
0.5115
eSr 60
О п
о
.О
(a)
°о ^ о"
eNd 10
5
0
-5 -10 -15 -20
0.702 0.703 0.704 1 0.705 0.706 0.707 0.708 0.709
87Sr/86Sr
-40
-30
-20
-10
0
10
20 еш
0.5131
0.5126
■о
¡Z
"t "t
N0.5121
0.5116
0.5111
(б)
DM
____L
V-,EV -i.
.. 1
Г
♦ MORB .-. OAB ..CAB О HIMU
• Sed
0.2815
0.2820 0.2825 0.2830
176Hf/177Hf
0.2835
eNd 10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
Рис. 1. Изотопные отношения неодима, стронция и гафния в базальтах срединно-океанических хребтов (MORB), океанических (OAB) и континентальных (CAB) щелочных базальтах, в базальтах с повышенными U/Pb отношениями в источнике (HIMU), а также в различных осадочных породах (Sed).
В частности, только установив состав примитивной мантии, можно далее рассуждать о составе и путях формирования мантии обогащенной и обедненной, о природе изотопных и химических неоднородностей в ней, о масштабах вещественного взаимодействия коры и мантии.
ХОНДРИТОВАЯ МОДЕЛЬ ЗЕМНОЙ МАНТИИ В Nd-Sr ИЗОТОПНОЙ СИСТЕМЕ
Открытие ДеПаоло и Вассербургом (DePaolo, Wasserburg, 1976a, 1976b) отрицательной корре-
ляции между изотопными отношениями неодима и стронция для мантийных пород (рис. 1а) позволило им сформулировать новую для своего времени модель развития мантии Земли. Согласно этой модели исходная, примитивная мантия в Бш-Ш системе отвечала СНИЯ, с современными значениями (8ш/Ш)снш = 0.325 и (143Ш/144Ш)СНш = = 0.5126381. Относительные отклонения от этой
1 Все приводимые в этой статье изотопные отношения неодима ренормализованы по 146№/144№ = 0.7219.
величины широко используют как еще один способ представления изотопных данных:
= 10
- ( 1 43Nd/144Nd ) s .( 143Nd/144Nd )chur
-1
(1)
где (143Nd/144Nd)S - изотопное отношение в образце.
Со временем в результате экстракции коры с более низким значением Sm/Nd возникла обедненная мантия (DM) с более высоким Sm/Nd отношением. Так как радиогенный 143Nd образуется из 147Sm, то с течением времени изотопное отношение 143Nd/144Nd становится более высоким там, где выше Sm/Nd отношение, т.е. в обеденной мантии.
Отрицательная корреляция между 143Nd/144Nd и 87Sr/®6Sr в различных мантийных породах указывала на то, что в их источнике (источниках) имеет место глобальная отрицательная корреляция между Sm/Nd и Rb/Sr отношениями. Это предположение вполне согласовывалось с практическими данными геохимии: геохимически обедненные породы характеризуются повышенными Sm/Nd и пониженными Rb/Sr отношениями.
Едва ли не единственная шероховатость этой модели состояла в том, что Rb/Sr и 87Sr/86Sr отношения в хондритах гораздо выше, чем в мантийных породах Земли. По этой причине тот же самый исходный мантийный источник в Rb-Sr системе был назван просто однородным резервуаром (UR), и изотопный состав стронция в нем был определен как точка пересечения тренда обратной корреляции изотопных отношений неодима и стронция с линией CHUR или eNd = 0 на рис. 1а. Из найденного таким образом (87Sr/86Sr)UR = 0.7045 легко рассчитать величину (Rb/Sr)UR, если принять возраст Земли Т = = 4.56 млрд. лет, первичное изотопное отношение стронция (87Sr/86Sr)BABI = 0.69897 (Papanastassiou, Wasserburg, 1969):
(87Rb/86Sr )ur = = [(87Sr/86Sr )ur - (87Sr/86Sr )babi ]/[ exp (^T) - 1 ].
Отсюда находим (Rb/Sr)UR = 0.029.
Так же как и eNd (формула 1), величина £Sr для любого современного изотопного отношения стронция вычисляется относительно (87Sr/86Sr)UR = = 0.7045.
Как видно на рис. 1а, с ростом количества данных для базальтов срединно-океанических хребтов (MORB) (Cohen et al., 1980; Cohen, O'Nions, 1982; O'Nions et al., 1977; Zindler et al., 1984; Mac-dougall, Lugmair, 1986; Graham et al., 1988; Klein et al., 1988; Hegner, Tatsumoto, 1987; Dosso et al., 1991; Hickeyvargas, 1991; Mertz et al., 1991; Muhe et al., 1993; Bach et al., 1994; Cousens et al., 1995; Ma-
(2)
honey et al., 1995; Staudigel et al., 1995; Bach et al., 1996; Niu et al., 1996; Salters, 1996; Muhe et al., 1997; Rehkamper, Hofmann, 1997; Schiano et al., 1997; Salters, White, 1998; Smith et al., 1998; Schilling et al., 1999; Bourdon, Hemond, 2001; Chauvel, Blichert-Toft, 2001; Woodhead et al., 2001; Haase, 2002), океанических внутриплитных базальтов и базальтов островов (OIB) (Hofmann et al., 1984; Roden et al., 1984; Wright, White, 1987; Roden et al., 1988; Naka-mura, Tatsumoto, 1988; Gautier et al., 1990; Chen et al., 1991; Tatsumoto, Nakamura, 1991; Halliday et al., 1992; Desonie et al., 1993; Weis et al., 1993; Hemond et al., 1994; Nohara et al., 1994; Esperanca, Crisci, 1995; Halliday et al., 1995; Rocholl et al., 1995; Ma-honey et al., 1996; Spath et al., 1996; Woodhead, 1996; Chauvel et al., 1997; Turner et al., 1997; Volker et al., 1997; Widom et al., 1997; Dodson et al., 1998; Deniel, 1998; Elburg, Foden, 1999; Kurz, Geist, 1999; Janney et al., 2000), континентальных базальтов (Hawkes-worth et al., 1979; Chauvel, Jahn, 1984; Worner et al., 1986; Musselwhite et al., 1989; Kramm, Wedepohl, 1990; Chazot, Bertrand, 1993; Ionov et al., 1995a; O'Brien et al., 1995; Hart et al., 1997; Marzoli et al., 1999) и силикатно-обломочных осадков и осадочных пород (Taylor et al., 1983; Briqueu et al., 1986; Goldstein, Jacobsen, 1987, 1988; Nelson, DePaolo, 1988; Asmerom, Jacobsen, 1993; Mcdermott et al., 1993; Bosch et al., 1994; Cousens et al., 1994; German et al., 1995; Allègre et al., 1996; Dupré et al., 1996; Ling et al., 1997; Gallet et al., 1998; Pettke et al., 2000) мантийный тренд стал несколько более размытым, чем выглядел первоначально (DePaolo, Wasserburg, 1976a), но в целом картина не изменилась. Левый верхний квадрант на рис. 1а, с низкими изотопными отношениями стронция и высокими изотопными отношениями неодима, отвечает обедненной мантии. Правый нижний квадрант
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.