海洋所在利用鉀-鋰同位素示蹤俯沖帶弧前物質(zhì)循環(huán)方面獲得新進(jìn)展
中國科學(xué)院海洋研究所深海中心孫衛(wèi)東研究團(tuán)隊劉海洋等人系統(tǒng)研究了馬里亞納俯沖帶弧前變質(zhì)基性巖的原位礦物化學(xué)和全巖鉀-鋰同位素組成,查明了俯沖帶弧前鉀(K)和(Li)同位素地球化學(xué)行為,揭示了俯沖帶弧前變質(zhì)脫水和水巖相互作用過程,探討了俯沖帶弧前物質(zhì)循環(huán)對島弧巖漿及地幔端元組成的影響,相關(guān)成果近日在地球化學(xué)頂級期刊Geochimica et Cosmochimica Acta發(fā)表。

西太平洋馬里亞納俯沖帶弧前蛇紋巖泥火山分布及IODP 366航次鉆探位置(研究樣品取自U1496,U1497和U1498站位)
弧前區(qū)域是俯沖帶物質(zhì)循環(huán)的重要階段,研究顯示俯沖帶弧前可以釋放大量的水和碳進(jìn)入地幔楔。受限于樣品,前人研究主要集中于數(shù)值模擬和質(zhì)量平衡計算,有關(guān)自然樣品的研究極其有限。馬里亞納俯沖帶弧前出露大量的蛇紋巖泥火山,其中蛇紋巖泥沿斷裂上涌過程中可以攜帶俯沖隧道內(nèi)的地幔楔和俯沖板片物質(zhì)到海底淺表,因此這些地質(zhì)樣品是研究俯沖帶弧前地質(zhì)過程的理想對象。
本研究以國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃(IODP)366航次在馬里亞納俯沖帶弧前不同深度泥火山中鉆探獲得的變質(zhì)基性巖樣品為研究對象,開展了系統(tǒng)的巖相學(xué)、原位礦物化學(xué)和全巖K-Li同位素組成研究。巖相學(xué)觀察顯示,變質(zhì)基性巖樣品中殘留原始礦物主要為單斜輝石。礦物化學(xué)分析表明,HIMU類型變質(zhì)基性巖中的單斜輝石均具有類似的主微量元素組成,結(jié)合團(tuán)隊早期有關(guān)全巖放射成因同位素的結(jié)論,表明這些HIMU類型變質(zhì)基性巖來自同一個地幔源區(qū)。本研究發(fā)現(xiàn),HIMU類型變質(zhì)基性巖K同位素組成隨俯沖深度增加逐漸變輕,并且與B同位素組成具有正相關(guān),證明HIMU類型變質(zhì)基性巖K同位素變化主要反映了變質(zhì)脫水過程的影響。在變質(zhì)脫水過程中,富集重K同位素的流體釋放到地幔楔,導(dǎo)致俯沖板片具有逐漸變輕的K同位素特征。

西太平洋馬里亞納俯沖帶弧前變質(zhì)基性巖K同位素組成與B同位素組(a)、B/Be比值(b)及K同位素組成隨俯沖深度變化趨勢(c)圖解
對HIMU類型變質(zhì)基性巖Li同位素組成的研究顯示樣品的Li同位素組成與典型HIMU類型洋島玄武巖Li同位素組成相似,然而來自淺部海山的HIMU類型變質(zhì)基性巖具有異常高的Li含量,結(jié)合不同溫度、不同水巖比條件下的水巖反應(yīng)模擬結(jié)果,該研究指出HIMU類型變質(zhì)基性巖Li元素濃度及同位素組成主要反映了俯沖板片物質(zhì)與熱液流體之間的水巖反應(yīng)過程。在高水巖比條件下(~80),玄武質(zhì)巖石與具有較高Li含量和較低Li同位素組成的熱液流體發(fā)生水巖反應(yīng),可以形成變質(zhì)玄武巖高Li含量和類似新鮮玄武巖Li同位素組成的特征,該流體可能來自俯沖隧道內(nèi)沉積物分異的流體。以上證據(jù)表明俯沖帶弧前存在顯著的水巖反應(yīng)過程,弧前變質(zhì)基性巖記錄了俯沖隧道內(nèi)沉積物與基性巖的水巖反應(yīng)過程。綜上,由于不同的地球化學(xué)行為,K-Li同位素體系分別記錄了俯沖帶弧前的變質(zhì)脫水和水巖反應(yīng)過程。
研究進(jìn)一步模擬了俯沖帶弧前物質(zhì)發(fā)生深俯沖的變質(zhì)脫水過程,結(jié)果顯示,深俯沖的板片物質(zhì)具有極高的K-Li含量和較輕的K同位素組成,因此海山俯沖可以運(yùn)送與地幔組成不同的地表物質(zhì)進(jìn)入深部地幔,并有可能形成不同的地幔端元;同時俯沖物質(zhì)釋放的流體具有較重的K同位素,這些流體可能會交代地幔楔,并影響島弧巖漿的K同位素組成。此外,有關(guān)EM-II類型變質(zhì)基性巖的研究表明,變質(zhì)基性巖樣品K-Li同位素組成與放射成因同位素及Nb/Th均表現(xiàn)出協(xié)變的特征,這表明EM-II類型變質(zhì)基性巖可能指示了源區(qū)特征。因此,這也反過來表明EM-II地幔端元可能具有輕的K同位素組成。該項研究揭示了俯沖帶弧前的物質(zhì)循環(huán)過程,為利用K-Li同位素示蹤物質(zhì)信號提供理論基礎(chǔ)。

西太平洋馬里亞納俯沖帶弧前K-Li同位素地球化學(xué)行為及物質(zhì)循環(huán)過程示意圖
本研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技項目、國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)實驗室開放基金等項目聯(lián)合資助。論文第一作者為劉海洋副研究員,通訊作者為鄧江洪副研究員。
相關(guān)成果論文題目及發(fā)表鏈接如下:
Liu, Haiyang(劉海洋)., Yang, Tinggen(楊廷根)., Xue, Ying-Yu.(薛穎瑜), Deng, Jianghong(鄧江洪)., Xiao, Yilin(肖益林)., Sun, He(孫賀)., Tong, Fengtai(仝鳳臺)., Wang, Kun(王昆)., Gao, Yongjun(高永軍)., Lin, Kuan-Yu(林冠羽)., Zhang, Fangyi(張方毅)., Jin, Xin(金鑫). and Sun, Wei-Dong(孫衛(wèi)東). (2023) Slab dehydration and potassium-lithium recycling in the forearc indicated by potassium and lithium isotope compositions of exhumed metabasites. Geochim. Cosmochim. Acta. 360: 16-35.
原文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703723004386?via%3Dihub#ab005
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