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项目介绍:Ba同位素指示亚速尔群岛OIB源区中富集物质来源

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Ba同位素指示亚速尔群岛OIB源区中富集物质来源

于慧敏,Oct. 18, 2022

Azores位于北纬37-40°和西经24-32°之间,靠近中大西洋洋中脊,以及北美、非洲和欧亚板块之间的三重交界处,共由九个岛屿组成(图1)。研究表明,产生Azores OIB的地幔柱位于Terceira、Faial或São Jorge之下(Moreira et al., 1999; Moreira and Allègre, 2002; Madureira et al., 2005; Jean-Baptiste et al., 2009)。Azores OIB表现出放射成因同位素的极端不均一性(Turner et al., 1997; Widom et al., 1997; Beier et al., 2007, 2008; Elliott et al., 2007; Millet et al., 2009; Waters et al., 2020; 图2),表明其地幔源区存在不同的富集组分,包括HIMU、EMII等。为进一步研究Azores地幔源区富集物质的来源,本研究选取了来自Azores五个岛屿的59个样品进行了Ba同位素研究。

图1 亚速尔群岛的地理位置

图1 亚速尔群岛的地理位置

图2 Azores五个岛屿OIB样品的87Sr/86Sr和206Pb/204Pb组成

 

2 Azores五个岛屿OIB样品的87Sr/86Sr206Pb/204Pb组成

Ba在地幔部分熔融时是高度不相容元素,因此地壳比地幔富集Ba(Sun and McDonough, 1989; Rudnick and Gao, 2003)。Ba在板块脱水过程中是流体活动性元素(Kessel et al., 2005),这使其成为流体-岩石反应的敏感指标,并被用来示踪俯冲过程中的流体。已有的研究表明,MORB和上地幔的Ba同位素相对均一δ138/134 Ba为+0.03至+0.14‰,Nielsen et al., 2018; Li et al., 2020; Nan et al., 2022)。相对而言,地表物质的Ba同位素变化范围较大,海水和地壳物质(如洋壳、陆壳、冰川杂岩等)的δ138/134Ba变化范围为-0.63至+0.95‰(Horner et al., 2015; Nan et al., 2018; Deng et al., 2021等)。尽管大多数海洋沉积物的Ba同位素特征与MORB的平均值相似,但蚀变洋壳的δ138/134Ba的变化范围为-0.23至+0.40‰(Nan et al., 2017; Nielsen et al., 2018; Wu et al., 2020),相对较大。因此,俯冲物质加入地幔,很可能对地幔的Ba同位素产生明显的影响。

图3 δ138/134Ba与(a)Ba/Th、(b)206Pb/204Pb和(c)87Sr/86Sr的关系图。

 

δ138/134Ba与(aBa/Th、(b206Pb/204Pb和(c87Sr/86Sr的关系图。模拟结果表明,来自地幔柱的熔体与带有俯冲流体特征的地幔楔组分(蓝色)混合,可以产生Terceira样品的Ba同位素特征。

本文分析的样品中,显示出两种类型的Ba同位素特征。来自Faial、Pico、São Jorge和São Miguel四个岛的样品显示出均一且类似MORB的Ba同位素组成;而来自Terceira岛的样品,其δ138/134Ba值范围为-0.03至+0.24‰,明显大于其他样品的变化范围(图3)。一些来自São Jorge和Terceira的样品具有较高的206Pb/204Pb值,代表了地幔柱源区中富集的HIMU/FOZO组分。来自São Jorge的样品,其Ba同位素组成与MORB一致。Terceira部分样品具有高206Pb/204Pb值,其Ba同位素组成也与MORB一致。而Terceira样品中Ba同位素偏重的,其206Pb/204Pb值偏低。这些表明地幔柱源区中HIMU/FOZO富集端元的Ba同位素组成接近上地幔和MORB值。

Terceira样品中δ138/134Ba与206Pb/204Pb呈负相关,与Ba/Th呈正相关,反映了地幔柱与一个存在于Terceira地幔、富集重Ba同位素、且被流体改造过的端元混合的特征(图3)。该端元的同位素和元素特征很可能继承于俯冲蚀变洋壳。但由于Azores位于远离俯冲带,其源区不存在直接来自俯冲带的俯冲蚀变洋壳。因此,该富集端元很可能是一个古老的、来自俯冲带、被流体交代过的地幔楔残片。该地幔楔残片在地幔对流过程中被运移到Terceira之下较浅的部位,并与上升的地幔柱反应,生成了具有重Ba同位素、高Ba/Th特征的OIB样品(图4)

图4 Azores地幔源区中具有俯冲变质流体特征的地幔楔组分来源卡通图

 

图4 Azores地幔源区中具有俯冲变质流体特征的地幔楔组分来源卡通图。

本研究用Ba同位素示踪了OIB源区存在受俯冲流体交代的再循环地幔楔组分,为进一步利用Ba同位素示踪俯冲物质再循环过程提供重要信息。

研究成果以“Barium isotope evidence of a fluid-metasomatized mantle component in the source of Azores OIB”为题,9月9日在线发表在国际权威学术期刊《Chemical Geology》上。论文第一、通讯作者是中国科学技术大学黄方教授课题组的于慧敏副研究员。研究获得了国家自然科学基金(42173003)等项目的支持。

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