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新萄京娱乐网址我国学者发现地球核幔边界存在地表碳酸盐的化学“印记”

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  在国家自然科学基金项目(项目编号:41372064,41688103,41672049)等资助下,南京大学地球科学与工程学院陈立辉教授课题组与合作团队,在地球深部研究取得重要进展,发现起源于核-幔边界的地幔柱中存在古老地表碳酸盐的化学“印记”。研究成果以“Recycled
ancient ghost carbonate in the Pitcairn mantle
plume”为题于2018年8月28日在Proceedings of the National Academy of
Sciences of the United States of
America(PNAS,《美国科学院院报》)在线发表。论文链接:

地幔是地球的主要组成部分,其化学组成与演化与人类生存环境息息相关,因此是地球科学家长期关注的话题。由于人类无法对几百公里以下的深部地幔进行直接观测,所以与深部地幔过程具有密切成因联系的洋岛玄武岩(Oceanic
island basalt,
简称为OIB)成为地球科学家了解深部地幔的理想研究对象。海底火山作用在大洋盆地内部生成了一系列大大小小的火山,出露于海平面之上称为洋岛,深藏海平面之下的称为海山,它们常以串珠状排列组成一组岛链或者海山链(如南太平洋的路易斯维尔海山链,下图)。构成洋岛和海山的玄武岩即称为OIB。

近日,我校地球科学与工程学院陈立辉教授课题组在钾质玄武岩成因研究获得重要进展,相关成果在著名地学综合性刊物《Journal
of Geophysical Research-Solid Earth》和《Earth and Planetary Science
Letters》上刊发。

  了解地幔的化学组成与演化以及深部地幔与地表的物质循环过程是了解地球内部如何运行的重要研究方向。前人通过放射成因同位素示踪技术对全球洋岛玄武岩(ocean
island basalt,
简称OIB)的研究,揭示出地幔在化学组成上是高度不均一的,并定义了EM1、EM2和HIMU等地幔端元组分。尽管目前多认为这些端元组分的形成与地球浅部物质的再循环有关,然而关于这些组分究竟代表何种再循环物质,仍然存在很大争议。其中有关EM1来源的争论最为激烈并长期持续,EM1因而被认为是最“神秘莫测”的地幔组分。

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玄武岩是地幔部分熔融的产物,是了解地幔的化学组成与演化的窗口。钾质玄武岩(K2O/Na2O>1)是玄武岩的一个重要亚类。分布于我国东北松辽盆地北侧和大兴安岭地区的新生代钾质玄武岩是典型的大陆板内钾质玄武岩,并具有Ⅰ型富集地幔
的同位素组成特征,其成因是岩石学家和地球化学家共同关注的热点问题之一,长期存在广泛争议。争议的焦点集中于两个问题:一是钾质玄武岩的源区问题(来源于交代的岩石圈地幔还是富集的软流圈地幔?);二是EM1型源区物质的根本属性问题(是再循环古老沉积物还是再循环大陆下地壳?)

  陈立辉教授领导的研究团队选择来自南太平洋Pitcairn火山岛(由起源于核幔边界的地幔柱在约0.95~0.45百万年前部分熔融产生,图1)的OIB样品进行了高精度镁同位素、Sr-Nd-Pb-Hf放射成因同位素,以及常规的主量、微量元素分析。研究发现Pitcairn洋岛经典的EM1型OIB样品的镁同位素组成比正常地幔明显偏轻。根据镁同位素与其他同位素之间的相关性,识别出轻的镁同位素组成是玄武岩源区EM1组分的固有特征。玄武岩源区EM1组分比正常地幔偏轻的镁同位素组成,结合其极低的206Pb/204Pb比值和硫同位素非质量分馏特征,明确指示EM1起源于再循环的古老(约25~26亿年)含碳酸盐沉积物。这一研究结果表明,曾经位于地球表层的沉积物可俯冲进入地球深部(核幔边界)长期保存,并最终被地幔柱携带至浅部地幔熔融参与玄武岩浆的组成,实现地球深部与地球表层之间的物质循环(图2)。

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针对上述成因争议,课题组以五大连池和诺敏河两地的钾质玄武岩为主要研究对象,对东北新生代钾质玄武岩的成因进行了深入探讨,取得了以下重要进展:

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南太平洋的路易斯维尔海山链

发现钾质玄武岩来源于软流圈地幔的证据(后期经历了岩石圈地幔的改造)

图1  位于南太平洋的Pitcairn火山岛

全球OIB具有高度不均一的地球化学组成,比如其放射性成因同位素组成87Sr/86Sr、143Nd/144Nd、206Pb/204Pb等比值的变化非常大,反映地幔的化学组成具有高度的不均一性。镁是地幔的主要组成元素之一,自然界中具有24Mg、25Mg、26Mg三个稳定同位素,OIB的镁同位素组成能否反映地幔的化学不均一性呢?近年来由于稳定同位素分析技术的快速发展,使这种探索成为可能。已有的研究结果认为,OIB的镁同位素组成在测量误差范围内与地幔橄榄岩(橄榄岩是浅部地幔的主要岩石类型)几乎一致,因此认为地幔的镁同位素组成是均一的,无法反映地幔的化学不均一性。目前基于放射性成因同位素体系建立的地幔地球化学理论认为,OIB的地幔源区含有大量的再循环地壳物质(通过板块俯冲到地幔深部的洋壳和沉积物)。由于稳定同位素组成在低温条件下易被改造,而重循环物质多长期暴露于地表低温环境,那么OIB应该具有和地幔橄榄岩不一样的镁同位素组成。这样,实际观察的OIB镁同位素组成与理论预测值存在显著矛盾,为此,我校地球科学与工程学院陈立辉教授领导的课题组决定对全球OIB的镁同位素体系进行更深入的观察、验证和解读。

发现东北新生代钾质玄武岩的地球化学特征与其时-空分布存在明显的耦合关系。岩石圈越厚的地区产出的钾质玄武岩的MgO含量越高,K2O/Na2O和Rb/Nb比值越低,Sr-Nd同位素组成更亏损;同一地区(如大兴安岭诺敏河地区)喷发越晚的岩浆SiO2含量和Rb/Nb、K/La比值越高,MgO含量越低。这些钾质玄武岩的同位素组成具有明显的两端元混合排列特征,代表该区岩石圈地幔的橄榄岩捕掳体位于亏损端元。此外,橄榄石捕掳晶普遍发育熔蚀结构和成分环带。以上证据明确排除了钾质玄武岩直接来自交代岩石圈地幔的可能,而支持其源区为富集软流圈地幔的观点。软流圈地幔中的富集物质部分熔融可产生富钾富硅的熔体,在熔体上升过程中与亏损的岩石圈地幔发生了不同程度的反应,从而演化为钾质玄武岩。

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课题组选择南太平洋的路易斯维尔海山和中太平洋的夏威夷群岛等经典OIB样品进行了高精度的镁同位素分析。作为对比,课题组还分析了一组来自南太平洋洋底的蚀变洋壳样品的镁同位素组成。所有样品来自课题组成员参加国际大洋钻探计划两个南太平洋航次(IODP
329和IODP
330)以及一次航次后会议组织的野外考察。研究结果表明,碱含量低的拉斑玄武岩其镁同位素组成与平均地幔值接近,但是碱含量高的碱性玄武岩镁同位素组成比平均地幔值明显偏轻。对已发表OIB镁同位素数据的重新统计分析表明,这是普遍存在的趋势。因此,OIB的镁同位素组成是不均一的。同时,蚀变洋壳普遍具有相对平均地幔偏重的镁同位素组成。进一步的理论分析和同位素分馏计算表明,源区物质组成(是否含有再循环的蚀变洋壳)和部分熔融程度都可以影响OIB的镁同位素组成。这样,OIB的镁同位素组成与现有的地幔地球化学理论是不矛盾的,在考虑部分熔融程度的前提下,OIB的镁同位素组成可以用于示踪地幔源区的化学组成。

建立了判别EM1型组份来自地幔过渡带的诊断性地球化学指标体系

图2  地球深部与地球表层之间的物质循环

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全球板内玄武岩镁同位素组成与Nb/Zr及La/Sm相关图

图1 东北新生代钾质玄武岩元素分馏特征及其形成机制

研究成果《 Magnesium Isotopic Variation of Oceanic Island Basalts
Generated by Partial Melting and Crustal Recycling
》近期发表于地球科学领域综合性刊物《 Earth and Planetary Science Letters
》。博士生钟源为论文第一作者,陈立辉教授为通讯作者。该论文是陈立辉教授课题组与中科院海洋所张国良研究员、中科院地质与地球物理所谢烈文博士长期合作的成果。

利用主微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf-Mg同位素联合示踪的方法,发现东北钾质玄武岩的EM1端元具有偏轻的Mg同位素组成,异常高的K/U和Ba/Th比值,极低的206Pb/204Pb和U/Pb比值,以及Zr、Hf的正异常。轻的Mg同位素和极低的206Pb/204Pb比值明确支持EM1端元为再循环古老沉积物的观点。异常高的K/U和Ba/Th比值说明K-U和Ba-Th这两个地球化学行为极为相近的元素对发生了显著的分馏,且其分馏程度远超沉积物。实验岩石学研究已证明含碳酸盐的沉积物俯冲到地幔过渡带深度(410~660公里)时将发生低程度熔融并生成碳酸岩熔体,而源区钾锰钡矿和镁铁榴石的残留会导致上述元素对的显著分馏。同时,碳酸岩熔体的抽取会降低残留物的稀土元素含量,从而生成具有Zr、Hf正异常的EM1组分。因此,异常高的K/U、Ba/Th比值和Zr、Hf的正异常是东北钾质玄武岩源区EM1组分来自地幔过渡带的诊断性地球化学指标,这些指标的识别明确了钾质玄武岩与地幔过渡带物质之间的成因联系。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

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图2 东北新生代钾质玄武岩的成因卡通图

博士生刘建强和王小均分别为以上两篇论文的第一作者,陈立辉教授为通讯作者。该研究项目得到国家自然科学基金委员会和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室资助。

原文链接:

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(地球科学与工程学院 科学技术处)

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