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科学研究

蔡荣华:再循环碳酸盐氧化大地幔楔【GCA,2021】
2021-01-21 阅读:5514

中国东部新生代板内玄武岩是我们研究滞留太平洋板片与上覆软流圈地幔相互作用的信使(图1)。前人研究发现这些玄武岩普遍具有相比于地幔值显著较轻的Mg同位素和较重的Zn同位素组成(图2),表明地幔源区可能存在滞留板片所释放的沉积碳酸盐。然而,我们并不清楚这些来自地表的较为氧化的碳酸盐俯冲进入高度还原的软流圈之后是否能够引发氧化还原反应。

强亲铁性元素(HSE)包括ReAu和六个铂族元素(PGEOsIrRuRhPtPd),这些元素在地幔中通常赋存在硫化物及合金相中。在通常的地幔部分熔融过程中,Re-Pt-Pd表现为中度不相容元素,但是Os-Ir-Ru为高度相容元素。由于在地幔及岩浆体系中具有高度的亲硫性,强亲铁性元素体系有能力示踪地幔硫化物的行为并且记录它们氧化还原状态的改变。

1:中国东部新生代板内玄武岩与大地慢楔(地震波图引自文献)

针对上述科学问题和研究思路,我校科学研究院同位素地球化学实验室研究生蔡荣华在导师刘金高教授的指导下,联合校内外合作者,结合Mg-Zn同位素对中国东部新生代板内玄武岩的强亲铁性元素及Os同位素进行了详细的分析研究,取得以下重要的认识:

1) 中国东部新生代板内玄武岩可以通过三个熔体端元的混合进行解释(图2):(1)低硅的霞石岩,(2)高硅的拉斑玄武岩,(3N-MORB。碱性玄武岩和拉板玄武岩具有高度分异的PGE配分曲线 (图3),较低的IPGE含量(e.g., PdN/IrN = 4.4 ± 3.3; Ir = 0.037± 0.027 ppb),放射性成因187Os/188Os (20.279 ± 0.115)及较为接近地幔值的Mg-Zn同位素(图2)。以上特征反映了这些高硅熔体主要是古老的辉石岩相地幔部分熔融所形成的。

 图2:中国东部新生代板内玄武岩Mg-Zn-Os同位素组成

2) 低硅的霞石岩与碧玄岩具有未分异的PGE配分曲线(图3),较高的IPGE含量(e.g., PdN/IrN = 1.1 ± 0.8; Ir = 0.25 ± 0.14 ppb),与地幔值类似的187Os/188Os (2; 0.142 ± 0.020) 以及比地幔值显著轻的Mg和重的Zn同位素组成。以上特征反映了这些碱性熔体的地幔源区发生了低比例硫化物的氧化分解,并且完全把亲铜亲铁性金属元素释放到碳酸盐熔体当中。除此之外,硫化物的氧化分解是由再循环的沉积碳酸盐所导致的(图4)。

3) 中国东部下覆的大地幔楔被太平洋板片带入地幔过渡带中的沉积碳酸盐所氧化。再循环碳酸盐的“氧化还原固结 (redox freezing)”作用引起了软流圈当中Fe0S2-的氧化(图4)。深部再循环的碳酸盐可能提供了氧化地幔硫化物的重要机制,促进了亲铜亲铁金属元素从地幔向地壳的迁移。

该研究是继我校同位素地球化学实验室铁同位素研究之后又一项探讨再循环碳酸盐导致地慢氧化的工作,并揭示了该氧化作用对地幔硫化物分解的影响,为成矿金属物源研究提供了新思路,也为研究壳幔物质交换导致地幔氧化提供了新的示踪工具。

图3:中国东部新生代板内玄武岩PGE-Re-Cu配分图

图4:不同类型地幔熔体的PGE-Re-Cu配分曲线特征及其地幔源区

上述成果发表在国际地球化学领域顶级期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上:Ronghua Cai, Jingao Liu*, D. Graham Pearson, Dongxu Li, Yong Xu, Sheng-Ao Liu, Zhuyin Chu, Li-Hui Chen, Shuguang Li (2021). Oxidation of the deep big mantle wedge by recycled carbonates: Constraints from highly siderophile elements and osmium isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta 295, 207-223. 本文第一作者蔡荣华目前是博士一年级研究生,通讯作者为刘金高教授。该研究受到国家重点研发项目(2019YFA0708400, 2020YFA0714800, 2019YFC0605403)和国家自然科学基金(No. 41730214, 41822301 and 41790451),以及111项目(B18048)等资助。

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