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我院新成果发现洋岛玄武岩的镁同位素不均一性

发布时间:2017-02-27 浏览次数:739

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(如夏威夷群岛)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

南太平洋的路易斯维尔海山链

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/86Sr143Nd/144Nd206Pb/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24Mg25Mg26Mg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。

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(IODP)两个南太平洋航次(IODP 329IODP 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(下图)。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。

全球板内玄武岩镁同位素组成与Nb/ZrLa/Sm相关图

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。


论文链接:http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X17300523