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《海洋所在弧后盆地玄武岩钙同位素研究方面获新进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者： liguiju
  • 发布时间：2020-01-03

  • 近日，Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta在线刊发海洋所深海中心孙卫东课题组关于弧后盆地玄武岩钙同位素最新研究成果，对理解板块俯冲和部分熔融过程中的钙同位素分馏行为，应用钙同位素示踪高温地质过程具有重要意义。

    钙同位素是指示深部碳循环的指标，但其在板块俯冲过程中的行为尚不清楚。弧后盆地玄武岩（BABBs）源区往往经受不同程度俯冲物质的影响，是认识钙同位素在板块俯冲和部分熔融过程中分馏行为的理想样品。中国科学院海洋所深海中心孙卫东研究员指导其课题组博士后祝红丽，对采自西南太平洋的弧后盆地玄武岩开展了钙同位素研究。研究发现，尽管这些BABBs源区受不同俯冲物质的影响，但它们的钙同位素组成与指示俯冲物质影响程度的指标（如Ce/Pb、Nb/U、Ba/La、Th/Yb、87Sr/86Sr及143Nd/144Nd等）不存在相关性，表明该俯冲作用对BABBs源区钙同位素组成的影响不显著，因此推测该地区俯冲物质的钙同位素组成与地幔相似，或者俯冲板片进入BABBs源区的钙元素通量较小。

    俯冲沉积物的沉积深度是决定沉积物组分的重要因素，可以进一步决定俯冲过程对地幔钙同位素组成的影响。大洋钻探结果显示，西南太平洋俯冲带的水深通常在碳酸盐补偿深度以下，导致太平洋板块的上覆沉积物以黏土物质为主，几乎不含碳酸盐组分。由于黏土物质具有较低的氧化钙含量，且钙同位素组成与地幔相似，因此在俯冲过程中不能引起显著的钙同位素分馏。模拟计算表明，BABBs与地幔之间的钙同位素组成差异（~0.14‰）是由部分熔融作用引起的，而与俯冲组分的加入无关。这一结果可能与西太平洋俯冲带水深在碳酸盐补偿深度以下有关。

    该论文第一作者为祝红丽，通讯作者为中国科学院广州地化所张兆峰研究员和中国科学院海洋所孙卫东研究员。研究成果得到国家自然科学基金（41873002、41773009）、中国科学院战略性先导专项（XDB18020102、XDA22050103）、国家重点研发专项（2016YFC0600408）等项目联合资助。

    论文信息：Hongli Zhu, Long Du, Xin Li, Zhaofeng Zhang*, Weidong Sun*, 2019. Calcium isotopic fractionation during plate subduction: Constraints from back-arc basin basalts. Geochimica et Cosmochimica Acta, in press.

    全文链接：http://doi.org/10.1016/j.gca.2019.12.004

  • 原文来源：http://www.qdio.cas.cn/2019Ver/News/kyjz/201912/t20191222_5478196.html
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    • 近日，中国科学院海洋研究所大洋岩石圈与地幔动力学课题组陈硕副研究员、孙普副研究员与英国Durham大学牛耀龄教授、Bristol大学Tim Elliott教授和德国Bayreuth大学Remco Hin博士合作，利用同位素双稀释剂方法，系统分析了东太平洋洋隆（EPR）5°N和12°N的新鲜大洋中脊玄武岩（MORB）及近洋脊海山熔岩样品Mo元素含量及同位素组成，有效地证实了由低程度部分熔融熔体交代的再循环大洋岩石圈对形成富集型MORB (E-MORB)有重要贡献。相关成果以“Molybdenum isotope systematics of lavas from the East Pacific Rise: Constraints on the source of enriched mid-ocean ridge basalts”为题发表于国际学术期刊Earth and Planetary Science Letters。 大洋中脊玄武岩和近洋脊海山玄武岩的研究表明上地幔化学成分存在较大尺度的不均一性，但其成因一直备受争议。最近的研究表明，Mo同位素体系在研究地幔不均一性成因方面有很大的潜力。例如，前人研究发现一些具有俯冲板片流体特征的基性岛弧玄武岩具有比正常MORB更高的δ98/95Mo和更低的Ce/Mo比值，而一些显示陆源沉积物贡献的岛弧熔岩则具有低δ98/95Mo特征。尽管对岛弧熔岩高δ98/95Mo成因还存在部分争议，但一般认为，Mo同位素在俯冲过程中会发生分馏，并推测重Mo同位素优先进入流体相，而轻Mo同位素则进入残余金红石中。这一分馏机制被最近的高温高压实验以及俯冲变质岩的研究所证实(Chen et al., 2019)。这一重要发现的意义在于，经历俯冲脱水的残余洋壳应该具有轻的钼同位素，并将这种独特的特征带到深部地幔。如果俯冲再循环的洋壳对上地幔的富集很重要（如E-MORB成因），那么这些熔体应该会继承类似的轻Mo同位素特征。前人对MORB的钼同位素进行了初步研究，然而，他们发现E-MORB比大多数正常的、亏损的MORB(N-MORB)具有更重的Mo同位素。值得注意的是，目前关于MORB的Mo同位素研究还很匮乏，且岩浆起源和演化对Mo同位素的可能影响仍存在争议。因此，需要选择更加理想的MORB样品进行系统的Mo同位素研究。为此，陈硕等系统分析东太平洋洋隆（EPR）5°N和12°N的新鲜大洋中脊玄武岩（MORB）及近洋脊海山熔岩样品Mo元素含量及同位素组成。 研究发现EPR 10°30’N，11°20’N和海山 MORB样品Mo同位素比值变化范围较大，δ98/95Mo（相对于NIST SRM3134）为-0.23‰至-0.06‰，但该变化与MORB岩浆起源与演化过程无关。结合已发表的数据，该研究发现MORB样品的Mo同位素组成与常用的地幔富集指标具有良好的相关性，因此Mo同位素的变化可以通过两端元混合模型解释。其中，亏损端元具有低δ98/95Mo（~-0.21‰）、La/Sm、Nb/La、Nb/Zr和Th/Yb，但高Sm/Nd和143Nd/144Nd，而富集端元则具有较高的δ98/95Mo（~-0.05‰ ）、La/Sm、Nb/La、Nb/Zr和Th/Yb，但较低的Sm/Nd和143Nd/144Nd。E-MORB更加富集重Mo同位素这一特征说明再循环洋壳以及沉积物不是地幔富集成因。利用熔融模型，陈硕等认为MORB富集端元是岩浆成因的，极有可能是由亏损的MORB地幔经低程度部分熔融形成的。因此，利用MORB的Mo同位素特征，该研究证明了由低程度部分熔融熔体交代的再循环大洋岩石圈对形成E-MORB有重要贡献。该研究还强调了Mo同位素是研究上地幔过程的有效工具（Chen et al., 2022）。 以上研究受到国家自然科学基金、中国科学院青促会、国家自然科学基金委-山东省联合基金以及“111计划”项目资助。陈硕副研究员为文章第一作者兼通讯作者，孙普副研究员为文章共同通讯作者。 　　 相关论文： Chen, S.*, Sun, P.*, Niu, Y.L., Guo, P.Y., Elliott, T., Hin, R.C., 2022. Molybdenum isotope systematics of lavas from the East Pacific Rise: Constraints on the source of enriched mid-ocean ridge basalts. Earth and Planetary Science Letters, 117283. 链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21005392 Chen, S.*, Hin, R., John, T., Brooker, R., Bryan, B., Niu, Y., Elliott, T. 2019. Molybdenum systematics of subducted crust record reactive fluid flow from underlying slab serpentine dehydration. Nature Communications, 10(1), 4773. 链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-12696-3
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  • 《中国科学院海洋研究所在马里亚纳俯冲带弧前水岩反应研究方面获得新进展》
    • 来源专题：中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者：liguiju
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    • 近日，中国科学院海洋研究所深海中心孙卫东研究员团队刘海洋等人在马里亚纳俯冲带弧前水岩反应和硼（B）同位素地球化学行为研究上取得新进展，相关成果发表在国际学术期刊Lithos上。 板块构造理论提出以来，作为地球内部-外部物质和能量交换的重要场所，俯冲带得到了地质学家的广泛关注。研究表明俯冲带是全球火山作用最为强烈的地区之一。前人有关俯冲带物质循环的研究通常利用蚀变洋壳和沉积物代表俯冲带的输入物质，然后通过岛弧岩石的研究来讨论俯冲带输出物质的组成。近期的研究发现，俯冲带的浅部弧前区域（海沟与岛弧火山之间）同样发生了强烈的水岩反应过程，并存在大量的物质运移，是俯冲带物质循环的重要组成。然而由于俯冲带浅部地质样品难以直接获得，因此俯冲带浅部水岩反应过程仍缺乏系统的研究。马里亚纳俯冲带弧前存在大量的蛇纹岩泥火山，其中的蛇纹岩泥沿断裂上涌的过程中可以携带俯冲隧道内的地质样品到海底浅表，因此，这些样品是研究俯冲带浅部地质过程的理想对象。该项研究以国际大洋发现计划（IODP）366航次钻探获得的马里亚纳弧前泥火山中变质基性岩样品为研究对象，开展了详细的岩相学、元素地球化学、矿物化学和B同位素地球化学研究，研究结果有效揭示了俯冲带弧前区域的流体活动和变质脱水过程，为揭示俯冲带流体循环及岛弧岩浆成因提供重要信息。 岩相学工作显示变质基性岩的原始矿物主要为辉石和斜长石，变质矿物主要为绿纤石、海绿石、绿鳞石、蒙脱石、皂石和方解石等。变质矿物均富集B、As、Sb、Pb等流体活动性元素，表明在俯冲带浅部，这些变质矿物可以使变质基性岩富含一定量的流体活动性元素。随着俯冲深度增加，以上矿物的分解或转变为多硅白云母等矿物，可能会释放一定量的流体活动性元素。研究汇集了已发表马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山中变质基性岩的微量元素数据，结果显示相关微量元素比值之间存在相关性（As/Ce和Sb/Ce等与B/La和B/Nb），反映了在弧前区域流体活动性元素通过变质脱水作用过程释放到了地幔楔。硼同位素研究显示变质基性岩具有明显重于新鲜洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的硼同位素组成，变化范围与蚀变洋壳最上部组分的硼同位素组成类似。该项研究发现随着蛇纹岩泥火山与海沟距离的增加，从Fantangisna海山（62km）经Asùt Tesoru海山（72km），再到South Chamorro海山（78km），变质基性岩的B同位素逐渐变轻，代表了随着变质温度、压力增加，板片分异的富集重硼同位素的流体逐渐被释放至地幔楔。该研究进行了脱水分馏过程模拟计算，模拟结果显示俯冲带变质残余板片与变质基性岩B同位素组成吻合，并且板片分异流体具有与蛇纹石化橄榄岩一致的组成，进一步证实了以上研究结论的正确性。 该研究表明俯冲带弧前区域存在大量的流体释放过程，并伴随流体活动性元素的运移。以硼元素为例，约73%的硼元素在弧前释放，该部分物质将促使地幔楔的蛇纹石化，并有可能进一步拖拽至弧下深度，随着地幔楔的熔融，而循环至岛弧岩浆。该研究为俯冲带物质循环，岛弧岩浆成因提供重要信息。 上述研究得到了国家自然科学基金青年基金和中国科学院先导项目等的联合资助。论文第一作者为深海中心特别研究助理刘海洋，通讯作者为刘海洋、邓江洪。 相关成果论文题目及发表链接如下： Liu Haiyang., Xue Ying.-Yu., Yang Tinggen., Jin Xin., You Chen.-Feng., Lin Chiou.-Ting., Sun Wei.-Dong. and Deng Jianghong. (2022) Fluid-rock interactions at shallow depths in subduction zone: Insights from trace elements and B isotopic composition of metabasites from the Mariana forearc. Lithos 422-423, 106730. 原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0024493722001396
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