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海洋所通过夏威夷火山岩Zn同位素揭示沉积碳酸盐俯冲进入下地幔

   近日,中科院海洋所张国良课题组在国际地学期刊《Chemical Geology》在线发表了题为“Zinc isotope constraints on carbonated mantle sources for rejuvenated-stage lavas from Kaua′i, Hawai′i”的研究论文,揭示了夏威夷复苏期火山岩具有明显比造盾期重的锌同位素组成,指示“俯冲-再循环”沉积碳酸盐在夏威夷复苏期火山岩成因过程中扮演了重要角色。 

  板块俯冲将大洋沉积碳酸盐带入地球深部是地球深部碳循环的重要环节。然而,大量研究表明沉积碳酸盐在俯冲过程中会发生分解,有效阻止其向地幔深部的迁移。因此,长期以来国际上并不清楚沉积碳酸盐组分是否可以俯冲进入地幔深部(尤其是下地幔)。大洋沉积碳酸盐相对地幔橄榄岩而言,明显具有重的Zn同位素组成。一般认为Zn同位素在地幔高温环境不会发生明显分馏,这使得Zn同位素可以作为指示沉积碳酸盐在地球深部俯冲循环的潜在指标。 

  黄帝岭-夏威夷海山链形成于来自核/幔边界附近的地幔柱热点,在太平洋板块之上按顺序形成四个阶段火山活动(造盾前、造盾期、造盾后和复苏期)。其中造盾期主要由拉斑玄武岩组成,形成于地幔柱中心的高程度部分熔融。复苏期是造盾完成以后地幔柱发生低程度部分熔融而形成,主要由硅不饱和的碱性火山岩组成。复苏期火山岩通常含有大量气孔,通常认为其原始岩浆含有大量挥发分(CO2、水等)。 

  中科院海洋所张国良课题组对夏威夷洋岛复苏期火山岩进行了详细野外勘察,并在夏威夷Kauai岛采集了一套完整的复苏期碱性火山岩样品(黄长岩-霞石岩-碧玄岩-碱性玄武岩)。通过与中国科学技术大学黄建副教授合作,研究分析了这些碱性火山岩的Zn同位素,以及全岩元素和放射性同位素组成。结果显示:与夏威夷造盾期拉斑玄武岩(δ66Zn  = 0.26–0.30‰)和正常地幔(δ66Zn = 0.18 ± 0.05‰)相比,夏威夷复苏期碱性火山岩具有明显重锌(Zn)同位素组成(δ66Zn = 0.34–0.43‰)。通过Zn同位素组成与其他地球化学指标的相关性和对元素Zn在地幔熔融过程中分馏行为的模拟计算,证实了沉积碳酸盐组分加入是导致其具有重Zn同位素组成的主要原因  

Kauai岛复苏期火山岩Zn同位素与其他化学组分的相关图

  通过Sr–Nd–Pb–Hf同位素之间及与Zn同位素和主微量元素的耦合关系,该研究提出Kauai岛复苏期地幔源区含有亏损地幔橄榄岩和沉积碳酸盐组分。高δ66Zn87Sr/86Sr的地球化学特征指示,沉积碳酸盐主要通过转化为镁质碳酸盐组分后进入深部地幔。另外,全岩Nd–Pb–Hf–Zn同位素组成随火山岩碱性强弱呈系统性变化,黄长岩具有最高的δ66Zn0.43‰)和 206Pb/204Pb值,这与沉积碳酸盐组分加入并熔融交代地幔所产生的地球化学特征相一致。结合高温高压熔融实验岩石结果,该源区经历不同程度熔融能够重现Kauai岛复苏期碱性火山岩的地球化学组成。 

Kauai岛复苏期火山岩SrNdPbHf同位素组成 

Kauai岛复苏期火山岩Zn同位素与其他元素比值和同位素相关图 

  本次研究通过Zn同位素视角确定了夏威夷复苏期地幔源区存在俯冲沉积碳酸盐组分,明确指示了沉积碳酸盐可以随俯冲板片进入下地幔,构成了与板块俯冲有关的一个重要深部碳循环环节 

俯冲碳酸盐循环模式及夏威夷复苏期火山岩重Zn同位素形成过程 

  论文第一作者为中科院海洋所姚俊华博士后,通讯作者为张国良研究员。本研究得到国家自然科学基金、青岛海洋科学技术试点国家实验室、山东省自然科学基金等项目资助。 

  论文链接: Yao, J., Huang, J., Zhang, G., 2022. Zinc isotope constraints on carbonated mantle sources for rejuvenated-stage lavas from Kaua'i, Hawai'i. Chemical Geology, https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2022.120967.  


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