蚀变洋壳的金属稳定同位素研究进展

蚀变洋壳在形成过程中会经历热液蚀变和低温风化,是高温和低温地质系统耦合的产物。通过研究蚀变洋壳的化学组成,可以反演热液对洋壳的改造。结合海水及地幔衍生岩浆岩的研究,可以制约地球内部岩石圈与外部水圈间的化学循环。随着质谱分析技术的发展,诸多金属稳定同位素体系开始应用于蚀变洋壳的研究。金属稳定同位素的分馏受到地质过程中物理和化学条件的控制,因此金属同位素可以反演水岩相互作用的历史。前人已对蚀变洋壳的Li、Mg、Ca、Cu、Zn、K、Fe、V和Si的同位素特征进行了初步研究。目前取得的认识有:流体活动性强的元素(如Li、Mg、Ca、Si和K)的同位素组成受到温度和水岩比的控制;变价的过渡族金属元素(如Cu、Fe和V)的同位素分馏效应受到氧逸度的控制。随着研究的深入,金属同位素的应用将为探讨蚀变洋壳的形成与演化、洋壳–海洋–地幔相互作用过程提供更多重要的信息。

蚀变洋壳玄武岩俯冲过程中含碳矿物相变质演化及脱碳作用的研究

俯冲作用是连接地表系统和地球深部系统的最为关键的地质过程,其对研究地球深部碳循环具有重要的意义。俯冲洋壳岩石圈中的碳主要存储在沉积物、蚀变洋壳玄武岩以及蛇纹岩中。俯冲变质作用过程含碳岩石的变质演化控制着其中含碳矿物相的转变及碳迁移过程。本文选取了蚀变洋壳玄武岩进行相平衡模拟,来研究其含碳矿物相的变质演化过程。计算结果表明,变质玄武岩体系中的碳酸盐矿物之间的转变反应除了受压力控制之外,还受到温度和体系中铁含量的影响。随着压力的升高蚀变玄武岩中碳酸盐矿物会发生方解石/文石-白云石-菱镁矿的转变,但在高压/超高压条件下,温度的升高可以使菱镁矿转变成白云石。碳酸盐矿物中的铁含量受到体系中铁含量的影响,白云石和菱镁矿中的铁含量随着体系中铁含量的增加而增加。在水不饱和条件下,洋壳不管是沿着低温还是高温地热梯度线俯冲到岛弧深度,蚀变玄武岩体系几乎都不发生脱碳作用。然而在水饱和条件下,当洋壳沿着高温以及哥斯达黎加地热梯度线俯冲到岛弧深度时,蚀变玄武岩体系中的碳几乎可以全部脱出去。蚀变玄武岩体系中水含量的增加可以促进体系的脱碳作用。

洋壳蚀变过程中锂同位素行为研究进展

洋壳自洋中脊形成到俯冲进入地幔之前,与流体(如海水和热液流体)在海底表面及洋壳内部可以发生广泛的水-岩相互作用,通过对洋壳蚀变过程中元素迁移和同位素分馏行为的研究,可以帮助我们认识海底热液循环系统,探究地球表层和深部的物质及能量流通。锂(Li)元素对流体活动敏感,在很多地质过程中(如风化作用、海水及热液蚀变等)同位素分馏显著,因此其含量和同位素比值变化可以记录洋壳蚀变过程中的重要信息。但由于蚀变洋壳的直接测试数据仍很匮乏,已有的Li元素和同位素数据解释存在较大争议,导致关于洋壳蚀变过程中Li元素迁移和同位素分馏的机制尚未达成共识。本文主要汇总了近年来针对大洋钻探获取的基岩岩芯Li同位素行为研究资料,探讨了在玄武岩蚀变和深海橄榄岩蛇纹石化过程中影响Li元素迁移和同位素分馏的主要因素(如蚀变温度、蚀变流体的化学组成、水-岩比值、次生矿物沉淀等),并进一步提出近期工作可以在以下方面加强:①继续完善Li储库和提高分析测试精度;②进行不同空间尺度下的Li同位素研究;③关注动力学分馏对高温蚀变过程中Li同位素行为的影响;④开展Li同位素与其他同位素体系的联用。

蚀变洋壳和俯冲带变质流体的Fe-Mg同位素组成

贫碳酸盐的蚀变洋壳具有与新鲜洋中脊玄武岩一致的Mg同位素组成,说明低温和高温洋壳蚀变不会导致Mg同位素分馏.大别山港河和花凉亭的早期变质脉比榴辉岩具有偏高的δ^56Fe-δ^26Mg值,而且早期到晚期变质脉的δ^56Fe-δ^26Mg值逐渐降低.这些结果说明,在流体-岩石反应和流体演化过程中,Fe-Mg同位素发生了显著的分馏,且矿物溶解-再沉淀是同位素分馏的控制因素.相比洋中脊玄武岩,蚀变洋壳和变质脉具有相似或偏高的δ^56Fe-δ^26Mg值,说明蚀变洋壳脱水产生的流体富集重Fe-Mg同位素,不能解释弧岩浆岩的轻Fe/重Mg同位素组成.因此,弧岩浆岩异常的Fe-Mg同位素组成是熔体提取和富集54Fe-26Mg的蛇纹岩流体交代地幔楔两个过程共同作用的结果.

洋壳蚀变过程中的镁同位素分馏机理研究进展

板块运动驱动的洋壳再循环一直被认为是造成地幔化学成分不均一的主要原因。洋壳在从洋中脊形成到俯冲进入地幔的过程中,持续遭受一系列蚀变改造。这一过程不仅影响海水化学成分,同时也会改变洋壳的化学组成,尤其是一些易活泼元素及相应同位素体系的改变会更加显著。洋壳蚀变造成的影响会通过洋壳俯冲再循环而传递到地幔,进而影响到对地幔化学组成不均一性的认识。镁(Mg)同位素是研究深部碳循环和壳幔物质相互作用的一个新兴示踪计,已进入深部地幔的俯冲洋壳Mg同位素组成有可能受高温岩浆过程、俯冲变质过程以及低温蚀变过程的影响。已有的研究证明高温岩浆过程和洋壳俯冲变质-脱水过程中洋壳Mg同位素无显著分馏。然而,由于天然样品测试的数量较少且数据测试精度有限,关于低温蚀变过程中洋壳Mg同位素是否存在分馏尚未达到共识,这限制了利用Mg同位素对地幔不均一性和全球尺度物质再循环的研究。本文总结了已发表的蚀变洋壳的Mg同位素资料,讨论了洋壳低温蚀变过程(火山玻璃橙玄化、蛇纹石化和碳酸盐化)对Mg同位素体系的影响。这些信息对于认识洋壳蚀变过程中Mg同位素体系的详细行为至关重要,是确定下一步相关研究方向的重要参考。

IODP U1502B钻孔高温蚀变玄武岩的锂同位素特征及对南海初始扩张期热液流体循环的指示

锂同位素体系是示踪水-岩相互作用的有力工具,但关于其在洋壳高温蚀变过程中同位素分馏行为的认识仍不清晰。本文对国际大洋发现计划(IODP)U1502B钻孔的9个高温蚀变玄武岩开展了岩相学、全岩主、微量元素和锂同位素地球化学研究。结果表明,与新鲜洋中脊玄武岩相比,9个样品的Li含量偏高(4.8×10^(-6)~11.6×10^(-6)),δ7Li值偏轻(-3.8‰~+1.4‰)。岩相学与全岩地球化学特征表明,洋壳高温蚀变过程中产生的绿泥石矿物导致锂同位素分馏、δ7Li值变轻,后期的低温海水蚀变作用使得钻孔上部出现Li的局部富集。蚀变玄武岩的锂同位素特征指示,该钻孔的热液流体循环经历了一个较完整的演化过程,蚀变流体以高温热液为主且含有少量海水;随着取样深度的增加,玄武岩蚀变程度逐渐降低。

深部碳循环的Mg同位素示踪:2015-2016的进展与问题

镁同位素示踪深部碳循环研究在过去一年取得了很大进展。这些进展包括蚀变洋壳、沉积物、深海橄榄岩和再循环榴辉岩的Mg同位素组成,具有EM-I和HIMU同位素特征的低δ^(26)Mg玄武岩成因,低δ^(26)Mg玄武岩熔融p-t条件的Mg-Sr同位素制约,Mg同位素揭示的大陆岩石圈地幔的碳酸盐交代作用,特提斯洋俯冲板块导致的深部碳循环,和富Na碳酸盐岩浆的Mg同位素分异。然而仍有许多重要科学问题尚不清楚,包括:(1)如何区分再循环沉积碳酸盐岩和再循环碳酸盐化榴辉岩对地幔Mg同位素的影响?(2)板块俯冲过程中Mg同位素地球化学行为和为什么岛弧玄武岩没有低δ^(26)Mg特征?(3)再循环碳在地幔的储存部位及存留时间?(4)普通碳酸盐岩浆的Mg同位素如何分异?(5)如何示踪那些不含Mg或含Mg很少的再循环碳酸盐,如方解石、文石、菱铁矿?这些问题指明了未来的重要研究领域。

辽东中—新生代玄武岩的橄榄石斑晶和捕虏晶氧同位素组成及其岩石圈地幔演化启示

华北克拉通东部岩石圈地幔性质在中—新生代时期发生了重大转变,但细节还不清楚。本文对辽东半岛早白垩世(克拉通破坏峰期)小岭组玄武岩和第四纪(克拉通破坏后)宽甸玄武岩中橄榄石斑晶/捕虏晶进行了主量元素和氧同位素组成研究。早白垩世小岭组玄武岩斑晶橄榄石Fo为79~88,CaO>0.1%,具有高Ni/Mg(0.4~1.2)、低Mn/Fe(1.3~1.6)和低Ca/Fe比值(0.2~1.5)的特征,指示岩浆源区是辉石岩和橄榄岩混合的岩石圈地幔;高于正常地幔橄榄石的δ^(18)O(4.77‰~5.96‰,平均值5.4‰)显示低温热液蚀变洋壳熔体/流体组分对地幔源区的影响。第四纪宽甸玄武岩捕虏晶橄榄石Fo值为88~92(平均值90),具有高NiO(0.3%~0.4%)和低CaO(<0.1%)、MnO(0.1%~0.2%)含量,显示主体饱满、与少量过渡型和难熔型并存的地幔组成特征;其δ^(18)O(4.58‰~5.38‰,平均值5.3‰)与正常地幔值接近。结合华北其他地区地幔橄榄石氧同位素数据,发现早白垩世破坏峰期有较多俯冲洋壳来源的熔/流体交代岩石圈地幔,而新生代岩石圈地幔则为破坏后的残余和新增生产物,我们认为古太平洋板块俯冲和后撤—撕裂引起的熔体/流体交代作用对华北克拉通岩石圈地幔的弱化、侵蚀和最终置换起了重要作用。

劳盆地与马努斯盆地俯冲熔体与流体组分的识别——Sr-Nd-Pb同位素与独立成分分析

为了探讨俯冲沉积物与蚀变洋壳组分对弧后盆地岩浆作用的影响,利用独立成分分析从劳盆地、马努斯盆地,以及太平洋与印度洋共634组Sr-Nd-Pb同位素数据中提取了5个独立成分(IC1—IC5)。其中:IC1与_87Sr/_86Sr、Th/Nb值为负相关关系,表明其能够代表弧下地幔中的俯冲沉积物熔体组分的影响,能够很好地区别弧后盆地与洋中脊;弧后盆地IC5与Ba/Th值为负相关关系,暗示其能够反映弧下地幔中的俯冲蚀变洋壳脱水流体组分的影响;IC5与κ值(1.03Th/U)之间的关系,也说明洋中脊IC5可能与地幔中再循环蚀变洋壳的年龄有关。进而通过对比马努斯和劳盆地岩石中IC1与IC5间的差异,发现马努斯盆地东部裂谷(ER)表现出绝对值更高的IC1负异常以及与劳盆地相似的IC5特征,而马努斯盆地扩张中心与扩张转换带(MSC&ETZ)则表现出类似劳盆地的IC1特征以及更高的IC5正异常特征。两个盆地间的差异表明,ER更多地受到沉积物熔体组分影响,MSC&ETZ更少地受到俯冲洋壳脱水流体组分影响。其中,沉积物熔体组分影响可能与New Britain trench与Tonga trench巨大的沉积物厚度差异有关,而俯冲洋壳脱水流体组分影响可能受到了弧后扩张中心与俯冲带间距离的控制。

塔里木大火成岩省二叠纪碱性煌斑岩的岩石成因和深部地球动力学过程

二叠纪塔里木大火成岩省以岩浆活动持续时间长、岩石类型复杂、巨量富铁碱性玄武岩为特征而区别于世界上其他以拉斑玄武岩为主体的大火成岩省,关于其地幔源区组分特征和成因仍然存在争议.选择塔里木大火成岩省西北缘瓦吉里塔格碱性煌斑岩岩脉为研究对象,通过锆石LA-ICP-MS U-Pb定年厘定这些碱性煌斑岩岩浆活动时间,并利用全岩主微量元素和Sr-Nd-Pb-Mg同位素以及单矿物成分分析,揭示其成因和塔里木大火成岩省形成的深部地球动力学过程.锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果限定了瓦吉里塔格碱性煌斑岩侵位年龄为279±1 Ma,属于塔里木大火成岩省第二期岩浆活动的产物.这些煌斑岩呈典型斑状全自形结构,斑晶矿物有橄榄石、单斜辉石、角闪石和黑云母,基质主要由斜长石、单斜辉石、角闪石、黑云母和钛磁铁矿等微晶组成.瓦吉里塔格碱性煌斑岩具有低SiO_(2)(43.5%~49.4%),高Fe_(2)O_(3)t(9.32%~15.50%)、TiO_(2)(2.28%~4.58%),Mg^(#)值在43.6~52.9,富集地幔相容元素(Ni、Cr)的特征,同时高Na_(2)O(2.58%~5.50%)和低K_(2)O/Na_(2)O比值(0.31~0.78)则反映了钠质岩石的属性.在微量元素上富集轻稀土元素、大离子亲石元素和高场强元素,具有弱的Nb-Ta正异常以及K、Sr、Ti、Zr-Hf负异常.它们的(^(87)Sr/^(86)Sr)_(i)变化于0.70436~0.70534之间,ε_(Nd)(t)值变化于-1.88~+1.10之间,(^(206)Pb/^(204)Pb)_(i)值为17.19~17.89.其元素和Sr-Nd-Pb同位素地球化学特征与常见的OIB型碱性玄武岩相似,但却具有比正常玄武岩更轻的Mg同位素组成(δ^(26)Mg=-0.78‰~-0.57‰).瓦吉里塔格碱性煌斑岩的原始岩浆应是含碳酸盐化榴辉岩的地幔柱低程度部分熔融的产物,并且部分发生了地幔柱-岩石圈地幔相互作用.地幔柱-俯冲蚀变洋壳相互作用是控制塔里木大火成岩省复杂岩石组合的关键因素.