海洋所研究揭示俯沖蝕變洋殼對弧巖漿的貢獻
近日,國際地學期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth(Nature Index)刊發(fā)了海洋所曾志剛課題組張玉祥副研究員與合作者的研究成果,揭示了俯沖蝕變洋殼對弧巖漿的影響,闡明了蝕變洋殼和蛇紋巖在俯沖脫水過程中的耦合關(guān)系。
蝕變洋殼廣泛存在于大洋俯沖板片之上,其作為一種重要的俯沖組分,理論上對弧巖漿的化學組成具有重要的貢獻。然而,由于蝕變洋殼既不像沉積物那樣富集不相容微量元素,也不如蛇紋巖富集水等揮發(fā)分,在弧巖漿中識別出這一貢獻并不容易。因此亟需尋找對蝕變洋殼敏感的示蹤劑。近年來,一些學者嘗試使用鋇(Ba)同位素來示蹤俯沖蝕變洋殼對弧巖漿的影響,原因是蝕變洋殼的Ba同位素整體上比地幔值重。然而,沉積物的Ba同位素表現(xiàn)出較大的變化范圍,部分也具有較重的Ba同位素組成。因此,單一利用Ba同位素示蹤會存在多解性的問題,需要結(jié)合其它指標。
關(guān)于蝕變洋殼化學組成的一個重要特征是Sr-Nd同位素發(fā)生解耦,即其相對于新鮮未蝕變的洋殼巖石具有更高的87Sr/86Sr,而143Nd/144Nd無明顯變化,因此在Sr-Nd同位素圖上,蝕變洋殼整體上偏離地幔序列。有意思的是,這種Sr-Nd同位素解耦的特征也廣泛存在于洋內(nèi)弧火山巖中(圖1),于是前人將Sr-Nd同位素解耦作為俯沖蝕變洋殼貢獻的指示。但是,需要排除沉積物熔體或流體加入對Sr-Nd同位素解耦的影響。

圖1 弧火山巖的Sr-Nd同位素解耦與Ba/Th、Th/Yb相關(guān)圖
本研究中,科研人員將Ba同位素與Sr-Nd同位素相結(jié)合,來示蹤俯沖蝕變洋殼的貢獻。首先,通過收集全球弧火山巖的Sr-Nd同位素及Ba、Th、Yb等微量元素組成,發(fā)現(xiàn)弧火山巖Sr-Nd同位素的解耦程度與Ba/Th呈正相關(guān),與Th/Yb呈負相關(guān)(圖1),證實弧火山巖Sr-Nd同位素解耦與沉積物的貢獻無關(guān)。進一步,將Sr-Nd同位素與Ba同位素聯(lián)合作圖,發(fā)現(xiàn)馬里亞納、湯加及克馬德克弧火山巖的Sr-Nd同位素解耦程度與Ba同位素也呈正相關(guān)(圖2a-c),兩者均指示俯沖蝕變洋殼的貢獻,由此建立了俯沖蝕變洋殼、Sr-Nd同位素解耦及重Ba同位素之間的關(guān)聯(lián),為示蹤俯沖蝕變洋殼對弧巖漿的影響提供了有效指標。此外,研究人員發(fā)現(xiàn),在全球尺度上,弧火山巖的Sr-Nd同位素解耦程度與B同位素呈正相關(guān)(圖2d),后者是俯沖蛇紋巖的有效示蹤指標。因此,提出俯沖蝕變洋殼與蛇紋巖在板片俯沖脫水過程中具有耦合關(guān)系(圖3),這對于理解俯沖帶內(nèi)的物質(zhì)遷移規(guī)律有重要意義。

圖2 弧火山巖的Sr-Nd同位素解耦與Ba、B同位素相關(guān)圖

圖3 俯沖蝕變洋殼與蛇紋巖耦合關(guān)系示意圖
論文第一/通訊作者為中國科學院海洋研究所張玉祥副研究員,曾志剛研究員為共同通訊作者,合作者包括香港大學舒云超博士、澳大利亞麥考瑞大學Simon Turner教授、中國科學院海洋研究所陳祖興副研究員及中國科學技術(shù)大學黃方教授。研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導專項等項目聯(lián)合支持。
論文信息:
Zhang,Y.,Shu,Y.,Turner,S.,Chen,Z.,Zeng,Z.,& Huang,F. (2024). Deciphering contribution of recycled altered oceanic crust to arc magmas using Ba-Sr-Nd isotopes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,129,e2023JB028407.
https://doi.org/10.1029/2023JB028407.
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