通过洋岛玄武岩成功揭示地幔柱中的榴辉岩组分

2022-01-04
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        地球深部物质组成及伴随的地壳物质在地球内部循环(地内循环)过程一直是国际地学的研究前沿。前人研究普遍认为,大洋板块俯冲壳和沉积物运输至深部地幔,从而造就洋岛玄武岩地幔源区(地幔柱)化学和不均一实验岩石学研究发现不同地幔岩性(如橄榄岩、辉石岩、角闪石岩等)部分熔融可以形成具有相似主量元素特征的玄武质熔体,这极大的增加了我们揭示深部物质岩性的难度。同时,地壳物质循环到地球内部后,还可能形成榴辉岩、反应辉石岩等多种岩性,这些岩组成在放射性成因同位素上存在相似性,传统地球化学手段难以精准识别。为解决上述科学难题,我们在综合调研前人相关研究的基础上,选择了南太平洋Pitcairn洋岛玄武岩(图1)为突破口,以橄榄石斑晶的元素组成和玄武岩的Fe同位素为示踪手段,深入揭示了玄武岩的地幔源区岩性与物质组成。

1位于南太平洋的Pitcairn火山岛


    前人对Pitcairn玄武岩的研究认为,地幔源区存在大量的反应辉石岩组分。而我们的研究发现,这些玄武岩中的橄榄石斑晶成分具有Ni、低Fo和低Ni/(Mg/Fe)的特征(图2a)。这一特征与典型的反应辉石岩来源玄武质熔体(以夏威夷Koolau玄武岩为代表)结晶的橄榄石组成明显不同,暗示其地幔源区并非传统认识的反应辉石岩。而对Pitcairn玄武岩Fe同位素的分析发现,它们具有比洋中脊玄武岩明显偏重的Fe同位素组成57Fe =0.17‰–0.31‰),且这一现象无法用简单的分离结晶、部分熔融等浅部过程解释,反映其源区存在重Fe同位素组分,与地壳物质的地内循环存在联系。因此,我们选择用Nd-Hf-Mg-Fe同位素联合示踪的方式,定量计算了橄榄岩、反应辉石岩、榴辉岩三种岩性来源熔体的同位素组成,发现Pitcairn玄武岩的同位素特征与反应辉石岩来源的熔体组成明显不同,而与榴辉岩、橄榄岩来源熔体的两端元混合结果相类似(图2b)。这一现象说明,Pitcairn玄武岩的地幔源区与地壳物质地内循环相关的岩性应该是榴辉岩。

2(a) Pitcairn玄武岩橄榄石斑晶与夏威夷Koolau玄武岩橄榄石斑晶成分对比(b) Pitcairn玄武岩Mg–Fe同位素组成变化


    综上所述,Pitcairn洋岛玄武岩的源区存在明显的榴辉岩信号,而非反应辉石岩。这一认识加深了我们对地球深部物质组成及地壳物质地内循环过程的理解,相关成果发表在国际地球化学顶级期刊《Geochimica et Cosmochimica ActaNature Index刊物,影响因子5.01上。施金华博士生为论文第一作者,曾罡为通讯作者,陈立辉、羽生毅、王小均、钟源、谢烈文和解文参与了本次研究。该工作得到国家自然科学基金项目(42130310、关键地球物质循环前沿科学中心(DLTD2105中央高校基本科研基金(Grant 0206-14380128, 0206-14380114和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室的资助。


文章信息:Jin-Hua Shi, Gang Zeng *, Li-Hui Chen, Takeshi Hanyu, Xiao-Jun Wang, Yuan Zhong, Lie-Wen Xie, Wen-Li Xie, 2022. An eclogitic component in the Pitcairn mantle plume: evidence from olivine compositions and Fe isotopes of basalts. Geochimica et Cosmochimica Acta, 318, 415-427. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.12.017.

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703721007237