研究的地幔包體樣品主要來自西伯利亞和蒙古。包括:西伯利亞克拉通、西伯利亞克拉通與華北克拉通之間的中亞造山帶、貝加爾湖地區、俄羅斯遠東和太平洋海岸的堪察加半島。前人已對以上樣品開展了大量的研究,根據構造背景、交代特征等,可以分成5類。
(1)第一組為富沃-中等虧損的二輝橄欖巖(Group 1),主要為單斜輝石富集的尖晶石和石榴石-尖晶石二輝橄欖巖,初始地幔標準化具有輕稀土平坦或虧損的特征,表明這些樣品具有與洋中脊玄武巖地幔源區類似的特征,這些樣品具有7-90ppm的鉀,δ41K為-1.09‰至-0.49‰,平均為-0.77±0.36‰(圖1和2);
(2)第二組為交代的板內橄欖巖(Group 2),含有角閃石或金云母的二輝橄欖巖(Group 2a)及其中單礦物鉀同位素組成變化范圍較小,δ41K為-0.77‰至-0.37‰,平均為-0.53±0.26‰,含有金云母的克拉通方輝橄欖(Group 2b)巖δ41K為-1.05‰至-0.35‰,隱型交代的非克拉通方輝橄欖巖(Group 2c)具有低的鉀含量和低的鉀同位素組成,δ41K為-2.11‰至-1.27‰,交代的含長石的二輝橄欖巖(Group 2d)具有高的鉀含量(110-1900ppm),鉀同位素組成為-1.49‰至-0.42‰,平均為-1.00±0.68‰,熔體囊橄欖巖(Group 2e)鉀含量為170-330ppm,鉀同位素組成為-2.15‰至-0.61‰(圖1和2);
(3)俯沖帶方輝橄欖巖(Group 3)具有低鉀含量(17-21ppm),最高的鉀同位素組成為0.40‰至0.62‰,平均為0.51±0.30‰;
(4)第四組為交代的包體(Group 4),金云母富集的二輝橄欖巖(Group 4a)鉀含量為280-1080ppm,鉀同位素組成為-0.31‰至-0.06‰,平均為-0.19±0.30‰,單礦物金云母具有較高的鉀同位素組成,δ41K為0.16‰;橄欖石中金云母和輝石富集的脈體(Group 4b)具有最低的鉀同位素組成,δ41K為-2.77‰(圖1和2);
(5)輝石巖和地幔分異的火山巖(Group 5),離散的輝石巖包體(Group 5a)鉀同位素組成為-0.72‰至-0.29‰,平均為-0.51±0.42‰,地幔包體寄主巖(Group 5b)具有相對較小的鉀同位素組成變化范圍δ41K為-0.27‰至-0.53‰,平均為-0.45±0.08‰(圖1和2)。
該研究指出Tariat地區的二輝橄欖巖代表了陸下巖石圈地幔的鉀同位素組成,平均δ41K為-0.65±0.30‰,略低于大洋玄武巖,但整體在大洋玄武巖范圍內,陸下巖石圈地幔具有大的鉀同位素變化范圍,可能反映了熔融后的鉀元素再分配(圖1和2)。另外,結合Group 1最富沃的二輝橄欖巖和Group 2a輕微交代的二輝橄欖巖可以獲得正常非克拉通巖石圈地幔的鉀同位素組成為-0.57±0.28‰,該結果也與大洋玄武巖鉀同位素組成參考值(-0.43±0.17‰)一致。
來自堪察加半島地區的俯沖帶方輝橄欖巖包體(Group 3)具有比大洋地幔更高的δ41K,是該研究獲得的最重的鉀同位素組成。該研究指出該特征可能是板片分異流體的影響(圖1d)。前人研究發現洋殼在俯沖過程可以發生進變質脫水作用,脫出的流體具有重的鉀同位素組成,可以解釋俯沖帶方輝橄欖巖的鉀同位素特征,而殘余的板片具有輕的鉀同位素,可能形成具有輕鉀同位素組成的地幔區域,因此可以解釋該研究獲得的具有輕鉀同位素的地幔包體(Group 2b-e)。此外,俯沖帶沉積物也具有輕的鉀同位素組成,因此也可能是地幔包體輕鉀同位素組成的一個原因。
基于前人獲得的地殼物質的鉀同位素組成,該項研究發現雖然巖石圈地幔包體具有大的鉀同位素變化范圍,但通常集中于較小的范圍,而且與大洋玄武巖及大陸地殼組成類似(圖2)。因此,該項研究指示硅酸鹽地球的主要含鉀地質儲庫均具有類似的鉀同位素組成。以上可能反映了地幔熔融和巖漿分異過程中鉀同位素分餾尺度有限。目前,俯沖帶流體相關的分餾過程可能是造成鉀同位素分餾的重要原因,因此鉀同位素體系具有示蹤流體相關地質過程的重要潛力,并且需要開展更多的研究。
該項研究近期發表在Geochimicaet Cosmochimica Acta上Ionov, D. A., & Wang, K. (2021). Potassium distribution and isotope composition in the lithospheric mantle in relation to global Earth’s reservoirs. Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.06.033