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近日，中國科學(xué)院海洋研究所孫衛(wèi)東研究員團(tuán)隊(duì)劉海洋等人在國際地學(xué)期刊Earth and Planetary Science Letters發(fā)表最新研究成果，首次發(fā)現(xiàn)了洋殼物質(zhì)再循環(huán)導(dǎo)致的洋島玄武巖鉀同位素異常，約束了洋島玄武巖地幔源區(qū)再循環(huán)的洋殼性質(zhì)及演化規(guī)律。

前人對洋島玄武巖的成因機(jī)制開展了大量研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)洋島玄武巖具有顯著不均一的地球化學(xué)組成，基于其成分差異可以將地幔劃分為不同的端元：EM I，EM II和HIMU等。目前學(xué)者廣泛認(rèn)為不同類型地幔端元的形成主要?dú)w因于再循環(huán)地殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)。然而，目前尚不清楚再循環(huán)地殼組分在深部地幔的相互作用過程及其如何影響洋島玄武巖的成分。例如，不同噴發(fā)期次洋島玄武巖的組成變化規(guī)律及成因機(jī)制仍存在爭議，并且如何有效區(qū)分再循環(huán)的（下）洋殼組分與巖石圈地幔仍存在困難。作為高度不相容元素，鉀元素在地殼中更為富集，并且低溫地質(zhì)過程可以導(dǎo)致顯著的鉀同位素分餾，而高溫巖漿過程鉀同位素分餾較小。因此，鉀同位素體系具有示蹤地殼物質(zhì)再循環(huán)的潛力。近期研究顯示，深俯沖的低溫蝕變洋殼具有顯著輕于地幔的鉀同位素組成，而高溫蝕變洋殼則具有重于地幔的鉀同位素組成。因此，鉀同位素不僅可以示蹤再循環(huán)洋殼物質(zhì)，而且具有區(qū)分不同再循環(huán)洋殼端元（即上部洋殼或下部洋殼）的潛力。前人研究認(rèn)為北大西洋馬德拉群島（圖1）洋島玄武巖地幔源區(qū)存在地殼物質(zhì)的貢獻(xiàn)，并且造盾期（shield stage）和后侵蝕期（post-erosional）存在較為顯著的地球化學(xué)組成差異。然而前人的研究無法有效判斷不同期次洋島玄武巖地幔源區(qū)的再循環(huán)組分，也無法有效判斷后侵蝕期是否存在再循環(huán)的組分。

圖1?北大西洋馬德拉群島（Madeira Archipelago）地質(zhì)簡圖

基于以上，本研究系統(tǒng)分析了馬德拉不同期次洋島玄武巖的鉀同位素組成特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，造盾期洋島玄武巖具有相對偏輕的鉀同位素組成，而后侵蝕期洋島玄武巖具有相對偏重的鉀同位素組成，并且隨著噴發(fā)時(shí)間，洋島玄武巖鉀同位素組成表現(xiàn)出變重的變化規(guī)律（圖2）。為驗(yàn)證洋島玄武巖鉀同位素組成差異的準(zhǔn)確性，本研究分別在南京大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）3家實(shí)驗(yàn)室開展了獨(dú)立的鉀同位素分析測試工作，分析結(jié)果具有很好的重現(xiàn)性，證實(shí)了馬德拉洋島玄武巖造盾期和后侵蝕期鉀同位素組成差異的真實(shí)性。

圖2 北大西洋馬德拉群島（Madeira Archipelago）洋島玄武巖鉀同位素與Sr-Nd-Pb-Hf-O同位素組成相關(guān)性圖解(a-e)，鉀同位素與噴發(fā)年齡圖解(f)

結(jié)合洋島玄武巖鉀同位素組成與Sr-Nd-Pb-Hf-O同位素組成的相關(guān)性，本研究認(rèn)為馬德拉洋島玄武巖鉀同位素變化是由于地殼物質(zhì)的再循環(huán)導(dǎo)致的。通過定量模擬計(jì)算（圖2），本研究認(rèn)為馬德拉洋島玄武巖源區(qū)再循環(huán)的洋殼組分包含經(jīng)歷低溫蝕變的上洋殼和經(jīng)歷高溫蝕變的下洋殼，并且從造盾期到后侵蝕期，再循環(huán)上洋殼的組分逐漸降低，而下洋殼的組分逐漸升高（圖3）。這表明再循環(huán)的較為富集地殼物質(zhì)更容易發(fā)生反應(yīng)并參與熔融形成早期的洋島玄武巖，而后期參與到洋島玄武巖地幔源區(qū)的組分主要為較為虧損的地殼物質(zhì)（圖3）。結(jié)合前期研究工作，該研究系統(tǒng)揭示了海水蝕變、俯沖變質(zhì)和地幔熔融過程中的鉀同位素地球化學(xué)行為，并利用鉀同位素體系揭示了洋島玄武巖地幔源區(qū)的殼幔相互過程以及地幔源區(qū)演化規(guī)律（圖3）。

圖3 馬德拉洋島玄武巖成因示意圖及海水蝕變、俯沖變質(zhì)和地幔熔融過程中的鉀同位素地球化學(xué)行為

該論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所劉海洋副研究員，通訊作者為劉海洋副研究員和孫衛(wèi)東研究員。合作者包括山東省地質(zhì)科學(xué)研究院薛穎瑜，德國基爾大學(xué)J?rg Geldmacher, Kaj Hoernle，德國柏林自由大學(xué)Uwe Wiechert，南京大學(xué)安詩超，合肥工業(yè)大學(xué)孫賀和顧海歐，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）李曉強(qiáng)，美國圣路易斯華盛頓大學(xué)王昆，中國科學(xué)院海洋研究所田凡凡、祝紅麗。研究得到了國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目和中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目等資助。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24004473

論文信息：

Haiyang Liu, Ying-Yu Xue, J?rg Geldmacher, Kaj Hoernle, Uwe Wiechert, Shichao An, Hai-Ou Gu, He Sun, Fanfan Tian, Xiaoqiang Li, Kun Wang, Hongli Zhu, Wei-Dong Sun. Potassium isotope evidence for subducted upper and lower oceanic crust in ocean island basalt sources. Earth and Planetary Science Letters, 2024.646, 119015.

作者：劉海洋