王泽洲:克拉通岩石圈镁同位素垂向不均一性及其成因【EPSL, 2016】

      镁(Mg)作为地幔和地壳中的主量元素,它的同位素体系(24Mg,25Mg,26Mg)在地球科学领域已经得到了广泛应用。大量研究表明,作为地球最主要的Mg载体,地幔的Mg同位素组成非常均一(26Mg = -0.25 ± 0.07‰),且地幔熔融过程和岩浆分异过程中不会发生明显的Mg同位素分馏。相比之下,上地壳的Mg同位素组成变化显著(~-5‰ ~ +1‰),大陆风化作用是造成上地壳Mg同位素组成不均一的重要过程。尤其是沉积碳酸盐岩和地幔之间Mg同位素差异显著,前者具有非常轻的Mg同位素组成,因此,Mg同位素有望有效地识别地幔中再循环的碳酸盐岩。 近年的研究发现一些碱性玄武岩(如华北克拉通新生代玄武岩)具有低于地幔的Mg同位素组成,被认为与俯冲板片携带再循环碳酸盐岩进入地幔有关。然而,是否存在低Mg同位素的地幔岩石(如橄榄岩、辉石岩)及其形成的机理一直不清楚。

      最近,以科学研究院同位素地球化学实验室作为平台,博士生王泽洲在其导师刘盛遨副教授以及李曙光院士的指导下,对华北克拉通东南缘徐-淮地区中生代闪长玢岩体内发育的深源包体开展了系统的Mg同位素研究。徐-淮地区的深源包体来源于不同的岩石圈深度:下地壳包体(Group II; -0.93‰ ~ -0.07‰)具有比中地壳包体(Group I;-0.33‰ ~ +0.01‰)更轻的Mg同位素组成,而起源于岩石圈地幔深度的含尖晶石辉石岩包体(Group III)具有异常低的26Mg值(-1.23‰ ~ -0.73‰)。由于沉积碳酸盐岩具有轻Mg同位素组成,同时结合其他主微量元素特征和Mg-Sr同位素模拟,论证了造成华北东南缘深部岩石圈Mg同位素不均一的原因主要是碳酸盐流体对深部岩石圈不同程度的交代。实验和理论研究表明,高温高压下碳酸盐在流体中的溶解度随压力增大而升高,这解释了岩石圈的垂向Mg同位素不均一性。该研究表明深部岩石圈(下地壳和岩石圈地幔)的Mg同位素组成是高度不均一的,为中国东部岩石圈地幔存在低Mg同位素异常提供了重要证据,同时进一步证实了Mg同位素作为碳酸盐交代的良好示踪剂,扩展了金属稳定同位素在深部碳循环示踪剂方面的应用。

               

                                               图1 徐-淮深源包体d26Mg与主微量元素Mg同位素组成

                                                                

                                    图2 岩石圈基性-超基性岩石和87Sr/86Sr相关性图解                           

        以上成果发表在国际著名学术刊物《Earth and Planetary Science Letters》上:Wang Z.-Z., Liu S.-A*., Ke S., Liu Y.-C., Li S.-G., 2016. Magnesium isotopic heterogeneity across the cratonic lithosphere in eastern China and its origins. Earth and Planetary Science Letters, 451:77-88. [IF=4.734]

附件:20160912152305775269.pdf (2.4744234MB)

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