海洋所在MORB地幔Fe同位素不均一成因方面取得新進(jìn)展
近日,中科院海洋所大洋巖石圈與地幔動(dòng)力學(xué)課題組在大洋中脊玄武巖(MORB)地幔源區(qū)Fe同位素不均一成因方面取得新進(jìn)展,相關(guān)成果刊發(fā)在國(guó)際地學(xué)自然指數(shù)(Nature Index)期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。
研究團(tuán)隊(duì)基于對(duì)東太平洋洋隆海山玄武巖的Fe同位素研究(Sun 等,2020, GCA),提出全球大洋上地幔富重Fe同位素的特征是低程度部分熔融熔體(low-F melt)地幔交代作用形成的。為了檢驗(yàn)該假設(shè)思想是否具有全球意義,本研究以洋盆演化歷史短、洋脊擴(kuò)張速率慢的大西洋為研究區(qū),選取大西洋35°N OH-1段洋脊的富集型洋脊玄武巖(圖1;Guo et al., 2021)為研究對(duì)象進(jìn)行了詳細(xì)的Fe同位素組成研究。

圖1 (a)全球目前有Fe同位素組成數(shù)據(jù)報(bào)道的MORB的分布圖;(b)本文研究區(qū)的位置;(c)本文樣品的采樣點(diǎn)(紅色實(shí)心圓)
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),這些MORB在如此小的空間分布范圍內(nèi)展示了較大的Fe同位素組成變化(+0.03‰到+0.18‰)。除此之外,這些樣品的Fe同位素組成和不相容元素的含量(如:K2O、Ba、La)以及其比值(如:[La/Sm]N、K2O/TiO2、Zr/Y)均顯示了良好的相關(guān)性(圖2),而且Fe同位素組成還與Sr-Nd-Hf同位素也有相關(guān)性。研究認(rèn)為洋底蝕變、部分熔融、巖漿演化以及淺部巖漿房?jī)?nèi)的巖漿混合等過(guò)程均不是導(dǎo)致這些MORB Fe同位素系統(tǒng)性變化的原因。而這些地球化學(xué)組成系統(tǒng)性變化主要反映的是地幔源區(qū)的不均一性。

圖2 本研究中MORB樣品Fe同位素組成與不相容元素及不相容元素比值的相關(guān)關(guān)系圖
研究認(rèn)為,這些MORB的地幔源區(qū)主要由富集不相容元素、富集重Fe同位素的富集端元和一個(gè)虧損不相容元素、虧損重Fe同位素的虧損端元混合而成。虧損端元可以認(rèn)為是虧損地幔,而富集端元?jiǎng)t是低程度部分熔融熔體(low-F melt)地幔交代作用是形成的(如:Guo et al., 2021)。因?yàn)?/span>Fe3+往往和重Fe同位素具有親和性,Fe2+往往和輕Fe同位素具有親和性,而且Fe3+在部分熔融過(guò)程中比Fe2+更不相容,因此低程度部分熔融形成的交代介質(zhì)(low-F melt)不僅富集不相容元素,而且富集重Fe同位素。那么形成的交代地幔(富集端元)也具有富集重Fe同位素的特征。
研究推斷該low-F melt地幔交代過(guò)程往往發(fā)生于大洋巖石圈地幔底部,形成交代脈(如:輝石巖脈)分布于周圍地幔中。交代地幔隨著大洋巖石圈被俯沖下去后又循環(huán)至上地幔,便可以造成上地幔Fe同位素的極大的不均一性(圖3)。該不均一地幔物質(zhì)循環(huán)至MORB地幔源區(qū)時(shí),會(huì)發(fā)生部分熔融導(dǎo)致的兩端元混合,產(chǎn)生我們看到的兩端元混合趨勢(shì)(圖2 & 3)。此外,如果該循環(huán)過(guò)程時(shí)間足夠長(zhǎng)(>1.0 Ga),便會(huì)產(chǎn)生放射性成因的Sr-Nd-Hf同位素與Fe同位素組成的相關(guān)性。

圖3 (a)和(b)描述了low-F melt地幔交代作用發(fā)生在大洋巖石圈底部形成交代地幔,然后俯沖下去又循環(huán)至MORB地幔源區(qū);(c)模擬計(jì)算該不均一地幔發(fā)生部分熔融可以產(chǎn)生Fe同位素組成與地幔交代作用指標(biāo)(如:[La/Sm]N)的相關(guān)性。
為了從全球角度理解該深部過(guò)程的普遍性,該研究還統(tǒng)計(jì)了目前發(fā)表的所有的MORB Fe同位素?cái)?shù)據(jù)(圖1 & 4)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn),全球MORB的Fe同位素與地幔交代作用的指標(biāo)(如:K/Ti、[La/Sm]N、Nb/Y、Zr/Y,)呈現(xiàn)了一階相關(guān)性。這些良好的一階相關(guān)性說(shuō)明,low-F melt地幔交代作用過(guò)程導(dǎo)致的上地幔富集重Fe同位素組成具有全球意義。

圖4 全球MORB的Fe同位素與地幔交代作用的指標(biāo)(如:[La/Sm]N)的相關(guān)性
論文的第一作者兼通訊作者為中國(guó)科學(xué)院海洋研究所副研究員郭鵬遠(yuǎn)。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金委-山東省聯(lián)合基金以及“111計(jì)劃”項(xiàng)目的共同資助。
相關(guān)論文:
Guo, P., Niu, Y., Chen, S., Duan, M., Sun, P., Chen, Y., Gong, H., Wang, X., 2023. Low-degree melt metasomatic origin of heavy Fe isotope enrichment in the MORB mantle. Earth Planet. Sci. Lett. 601, 117892 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X22005283)
Guo, P., Niu, Y., Sun, P., Zhang, J., Chen, S., Duan, M., Gong, H., Wang, X., 2021. The nature and origin of upper mantle heterogeneity beneath the Mid-Atlantic Ridge 33–35°N: A Sr-Nd-Hf isotopic perspective. Geochim. Cosmochim. Acta 307, 72-85 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721003069)
Sun, P., Niu, Y., Guo, P., Duan, M., Chen, S., Gong, H., Wang, X., Xiao, Y., 2020. Large iron isotope variation in the eastern Pacific mantle as a consequence of ancient low-degree melt metasomatism. Geochim. Cosmochim. Acta 286, 269-288 (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703720304592)
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