俯沖碳酸鹽循環(huán)模式及夏威夷復(fù)蘇期火山巖重Zn同位素形成過(guò)程 課題組供圖

近日，中科院海洋研究所研究員張國(guó)良課題組在國(guó)際地學(xué)期刊《化學(xué)地質(zhì)學(xué)》在線發(fā)表了研究論文，揭示了夏威夷復(fù)蘇期火山巖具有明顯比造盾期重的鋅同位素組成，指示“俯沖-再循環(huán)”沉積碳酸鹽在夏威夷復(fù)蘇期火山巖成因過(guò)程中扮演了重要角色。

板塊俯沖將大洋沉積碳酸鹽帶入地球深部是地球深部碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。然而，大量研究表明沉積碳酸鹽在俯沖過(guò)程中會(huì)發(fā)生分解，有效阻止其向地幔深部的遷移。因此，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)際上并不清楚沉積碳酸鹽組分是否可以俯沖進(jìn)入地幔深部，尤其是下地幔。大洋沉積碳酸鹽相對(duì)地幔橄欖巖而言，明顯具有重的Zn同位素組成。一般認(rèn)為Zn同位素在地幔高溫環(huán)境不會(huì)發(fā)生明顯分餾，這使得Zn同位素可以作為指示沉積碳酸鹽在地球深部俯沖循環(huán)的潛在指標(biāo)。

黃帝嶺-夏威夷海山鏈形成于來(lái)自核/幔邊界附近的地幔柱熱點(diǎn)，在太平洋板塊之上按順序形成四個(gè)階段火山活動(dòng)，分別為造盾前、造盾期、造盾后和復(fù)蘇期。其中造盾期主要由拉斑玄武巖組成，形成于地幔柱中心的高程度部分熔融。復(fù)蘇期是造盾完成以后地幔柱發(fā)生低程度部分熔融而形成，主要由硅不飽和的堿性火山巖組成。復(fù)蘇期火山巖通常含有大量氣孔，通常認(rèn)為其原始巖漿含有大量揮發(fā)分，如二氧化碳、水等。

據(jù)了解，張國(guó)良課題組對(duì)夏威夷洋島復(fù)蘇期火山巖進(jìn)行了詳細(xì)野外勘察，并在夏威夷Kauai島采集了一套完整的復(fù)蘇期堿性火山巖樣品——黃長(zhǎng)巖-霞石巖-碧玄巖-堿性玄武巖。課題組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副教授黃建合作，研究分析了這些堿性火山巖的Zn同位素，以及全巖元素和放射性同位素組成。研究結(jié)果顯示：與夏威夷造盾期拉斑玄武巖和正常地幔相比，夏威夷復(fù)蘇期堿性火山巖具有明顯重鋅(Zn)同位素組成。通過(guò)Zn同位素組成與其他地球化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性和對(duì)元素Zn在地幔熔融過(guò)程中分餾行為的模擬計(jì)算，證實(shí)了沉積碳酸鹽組分加入是導(dǎo)致其具有重Zn同位素組成的主要原因 。

通過(guò)Sr–Nd–Pb–Hf同位素之間及與Zn同位素和主微量元素的耦合關(guān)系，該研究提出Kauai島復(fù)蘇期地幔源區(qū)含有虧損地幔橄欖巖和沉積碳酸鹽組分。高δ66Zn低87Sr/86Sr的地球化學(xué)特征指示，沉積碳酸鹽主要通過(guò)轉(zhuǎn)化為鎂質(zhì)碳酸鹽組分后進(jìn)入深部地幔。另外，全巖Nd–Pb–Hf–Zn同位素組成隨火山巖堿性強(qiáng)弱呈系統(tǒng)性變化，黃長(zhǎng)巖具有最高的δ66Zn(0.43‰)和 206Pb/204Pb值，這與沉積碳酸鹽組分加入并熔融交代地幔所產(chǎn)生的地球化學(xué)特征相一致。結(jié)合高溫高壓熔融實(shí)驗(yàn)巖石結(jié)果，該源區(qū)經(jīng)歷不同程度熔融能夠重現(xiàn)Kauai島復(fù)蘇期堿性火山巖的地球化學(xué)組成。

本次研究通過(guò)Zn同位素視角確定了夏威夷復(fù)蘇期地幔源區(qū)存在俯沖沉積碳酸鹽組分，明確指示了沉積碳酸鹽可以隨俯沖板片進(jìn)入下地幔，構(gòu)成了與板塊俯沖有關(guān)的一個(gè)重要深部碳循環(huán)環(huán)節(jié)。

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、青島海洋科學(xué)技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。