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海洋所在MORB地幔Fe同位素不均一成因方面取得新进展

  近日,中科院海洋所大洋岩石圈与地幔动力学课题组在大洋中脊玄武岩(MORB)地幔源区Fe同位素不均一成因方面取得新进展,相关成果刊发在国际地学自然指数(Nature Index)期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。 

  研究团队基于对东太平洋洋隆海山玄武岩的Fe同位素研究(Sun 等,2020 GCA),提出全球大洋上地幔富重Fe同位素的特征是低程度部分熔融熔体(low-F melt)地幔交代作用形成的。为了检验该假设思想是否具有全球意义,本研究以洋盆演化历史短、洋脊扩张速率慢的大西洋为研究区,选取大西洋35°N OH-1段洋脊的富集型洋脊玄武岩(1Guo et al., 2021)为研究对象进行了详细的Fe同位素组成研究。 

1 (a)全球目前有Fe同位素组成数据报道的MORB的分布图;(b)本文研究区的位置;(c)本文样品的采样点(红色实心圆)

  研究团队发现,这些MORB在如此小的空间分布范围内展示了较大的Fe同位素组成变化(+0.03‰+0.18‰)。除此之外,这些样品的Fe同位素组成和不相容元素的含量(如:K2OBaLa)以及其比值(如:[La/Sm]NK2O/TiO2Zr/Y)均显示了良好的相关性(2),而且Fe同位素组成还与Sr-Nd-Hf同位素也有相关性。研究认为洋底蚀变、部分熔融、岩浆演化以及浅部岩浆房内的岩浆混合等过程均不是导致这些MORB Fe同位素系统性变化的原因。而这些地球化学组成系统性变化主要反映的是地幔源区的不均一性。 

2 本研究中MORB样品Fe同位素组成与不相容元素及不相容元素比值的相关关系图 

  研究认为,这些MORB的地幔源区主要由富集不相容元素、富集重Fe同位素的富集端元和一个亏损不相容元素、亏损重Fe同位素的亏损端元混合而成。亏损端元可以认为是亏损地幔,而富集端元则是低程度部分熔融熔体(low-F melt)地幔交代作用是形成的(如:Guo et al., 2021)。因为Fe3+往往和重Fe同位素具有亲和性,Fe2+往往和轻Fe同位素具有亲和性,而且Fe3+在部分熔融过程中比Fe2+更不相容,因此低程度部分熔融形成的交代介质(low-F melt)不仅富集不相容元素,而且富集重Fe同位素。那么形成的交代地幔(富集端元)也具有富集重Fe同位素的特征。 

  研究推断该low-F melt地幔交代过程往往发生于大洋岩石圈地幔底部,形成交代脉(如:辉石岩脉)分布于周围地幔中。交代地幔随着大洋岩石圈被俯冲下去后又循环至上地幔,便可以造成上地幔Fe同位素的极大的不均一性(3)。该不均一地幔物质循环至MORB地幔源区时,会发生部分熔融导致的两端元混合,产生我们看到的两端元混合趋势(2 & 3)。此外,如果该循环过程时间足够长(>1.0 Ga),便会产生放射性成因的Sr-Nd-Hf同位素与Fe同位素组成的相关性。 

3 (a)和(b)描述了low-F melt地幔交代作用发生在大洋岩石圈底部形成交代地幔,然后俯冲下去又循环至MORB地幔源区;(c)模拟计算该不均一地幔发生部分熔融可以产生Fe同位素组成与地幔交代作用指标(如:[La/Sm]N)的相关性。 

  为了从全球角度理解该深部过程的普遍性,该研究还统计了目前发表的所有的MORB Fe同位素数据(1 & 4)。统计结果发现,全球MORBFe同位素与地幔交代作用的指标(如:K/Ti[La/Sm]NNb/YZr/Y,)呈现了一阶相关性。这些良好的一阶相关性说明,low-F melt地幔交代作用过程导致的上地幔富集重Fe同位素组成具有全球意义。 

4 全球MORB的Fe同位素与地幔交代作用的指标(如:[La/Sm]N)的相关性 

  论文的第一作者兼通讯作者为190aa踢球者比分电脑版副研究员郭鹏远。研究得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金委-山东省联合基金以及“111计划项目的共同资助。 

  相关论文: 

  Guo, P., Niu, Y., Chen, S., Duan, M., Sun, P., Chen, Y., Gong, H., Wang, X., 2023. Low-degree melt metasomatic origin of heavy Fe isotope enrichment in the MORB mantle. Earth Planet. Sci. Lett. 601, 117892 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X22005283)   

  Guo, P., Niu, Y., Sun, P., Zhang, J., Chen, S., Duan, M., Gong, H., Wang, X., 2021. The nature and origin of upper mantle heterogeneity beneath the Mid-Atlantic Ridge 33–35°N: A Sr-Nd-Hf isotopic perspective. Geochim. Cosmochim. Acta 307, 72-85 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721003069) 

  Sun, P., Niu, Y., Guo, P., Duan, M., Chen, S., Gong, H., Wang, X., Xiao, Y., 2020. Large iron isotope variation in the eastern Pacific mantle as a consequence of ancient low-degree melt metasomatism. Geochim. Cosmochim. Acta 286, 269-288 (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703720304592) 

    

  
  

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