王泽洲:地幔熔融过程中的Zn同位素分馏与地幔的Zn同位素组成 【GCA, 2017】

锌(Zn)是重要的过渡金属元素,在不同的环境下会表现出不同的化学性质(如中等挥发性、亲硫性、亲石性、生命营养元素等)。近十年来,Zn同位素研究得到了快速发展,尤其在天体、环境、生物、海洋、矿床等诸多领域得到了广泛应用。然而,由于地幔橄榄岩低Zn含量给同位素测试带来困难,作为不同储库间比较的基准——硅酸盐地球(BSE)的Zn同位素组成(以δ66Zn表示)还没有得到很好的制约,而且关于高温岩浆过程Zn同位素分馏尺度及机理的研究甚少。

最近,我校博士研究生王泽洲,在科学研究院同位素地球化学实验室刘盛遨副教授的指导下,对大量地幔橄榄岩和大洋玄武岩进行了高精度Zn同位素分析,结合前人已发表数据,取得了重要认识。

研究结果 (图1) 表明:(1)地幔交代作用会使橄榄岩的Zn含量和d66Zn发生显著改变;(2)未交代橄榄岩(+0.18± 0.06‰; 2SD)具有比MORB(+0.28 ± 0.03‰; 2SD) 和OIB(+0.31± 0.09‰; 2SD) 系统偏轻的δ66Zn, 表明地幔熔融过程中会发生接近0.1‰的分馏;(3)尖晶石的Zn含量是比硅酸盐矿物的几十倍,同时其δ66Zn比硅酸盐矿物重约0.12‰,模拟计算表明地幔熔融过程中,尖晶石的优先消耗可以很好地解释玄武岩—橄榄岩间Zn含量和Zn同位素的差异;(4)辉石和橄榄石相似的δ66Zn,和OIB、科马提岩和饱满(未熔融)橄榄岩间相似的δ66Zn均表明石榴石相地幔熔融过程中不发生显著Zn同位素分馏;(5)OIB、科马提岩和饱满橄榄岩所代表的深部地幔和原始地幔的δ66Zn为+0.30 ± 0.07‰(2SD),而通过质量平衡计算的现代亏损MORB源区地幔(DMM)的δ66Zn为+0.20 ±0.05‰(2SD),浅部地幔的熔融是造成二者Zn同位素差异的主要原因。

该研究的意义在于:(1)证明了尖晶石相地幔部分熔融会造成垂向上不均一的上地幔的Zn同位素组成,修正了Doucet et al., 2016 (EPSL) 最近关于石榴石相地幔熔融是造成玄武岩与地幔Zn同位素差异的认识;(2)发现地幔交代作用会引起地幔Zn同位素异常,因此Zn同位素能够指示地幔交代作用;(3)由于深部地幔熔融过程中不会发生明显的Zn同位素分馏,因此可以直接利用深部地幔熔融的熔体示踪其地幔源区特征,例如,中国东部新生代-晚中生代玄武岩的Zn同位素组成明显重于普通OIB,表明其源区有再循环沉积碳酸盐岩的加入(Liu et al., 2016; EPSL)。

图1玄武岩、未交代橄榄岩及其单矿物间Zn同位素组成 (δ66Zn)比较

上述研究成果发表于国际著名学术刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta》上:Wang, Z.-Z., Liu, S.-A*., Liu, J., Huang, J., Xiao, Y., Chu, Z. Y., Zhao, X. M., Tang, L. 2017. Zinc isotope fractionation during mantle melting and constraints on the Zn isotope composition of Earth’s upper mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta, 198, 151-167. [IF = 4.315]

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