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海洋所在Mo同位素示踪地幔不均一性方面获新进展

  近日,中科院海洋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(EPR5°N12°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MORBMo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(EPR5°N12°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(图1)。 

1 EPR 10°30’N11°20’N和海山 MORB样品位置图

  研究发现EPR 10°30’N11°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‰-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/SmNb/LaNb/ZrTh/Yb,但高Sm/Nd143Nd/144Nd,而富集端元则具有较高的δ98/95Mo~-0.05‰ )、La/SmNb/LaNb/ZrTh/Yb,但较低的Sm/Nd143Nd/144NdE-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(图2因此,利用MORBMo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)。 

2 部分熔融过程中不相容元素比值及Mo同位素分馏计算

  以上研究受到国家自然科学基金、中科院青促会、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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