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科学家揭示俯冲带重硼同位素循环

2019-12-02 17:55:20 来源:admin

硼是一种中等挥发性、重量轻的石元素,在熔融/流体活动中容易迁移。硼有两种稳定同位素(10b和11b)。两种同位素之间的巨大质量差异(~ 10%)导致地球上不同末端元素之间硼同位素的显著差异。因此,硼及其同位素对于探索熔融/流体参与的地质过程和物质循环具有重要意义。目前,大量学者对硼在地球表生环境中的地球化学行为及相关过程(如地壳风化与土壤形成、海洋/湖泊蒸发与沉积、动植物发育等)进行了深入研究。)。然而,对地球深部过程中硼的迁移和同位素平衡仍缺乏足够的了解。

俯冲带是连接地球表生层和深层的关键环节。研究表明,岛弧和弧下交代地幔楔与亏损地幔有关(b < 0.1μg/g;δ11b = -7.1‰)硼含量(1.3 ~ 37μ g/g)和δ11b值(-5 ‰ ~ 15 ‰)明显较高,表明海洋俯冲板块释放的流体携带大量重硼同位素进入地幔楔和弧岩浆。由于高硼含量(~4.5μg/g/g)和重硼同位素组成(δ11b =~40%)的海水明显富集,经历海底蚀变的洋壳和蛇纹石岩石圈地幔被认为是海洋俯冲板块中高δ11B流体的主要源区。相反,大陆俯冲板块主要由大陆地壳上岩石和轻硼同位素组成的沉积物组成(平均δ11b = -9.1%)。传统观点认为,大陆俯冲带中发育的熔体/流体应具有较低的δ11b值。然而,近年来的新证据表明,俯冲的大陆地壳也可以形成一些富含11b的流体。因此,高δ11b流体的来源和成因机制仍是俯冲带研究中未解之谜。

含水矿物电气石是地壳中硼的主要载体。它具有缓慢的体扩散速率,并且可以在超高压下稳定。因此,含电气石的超高压岩石为了解俯冲带含硼流体活动提供了一个重要的窗口。中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室副研究员郭顺及其合作者首次在大别UHP变质带白洋岭地区发现富含电气石的榴辉岩和脉(形成于大陆深俯冲期间)(图1)。这些岩石产于不纯的大理石中。岩石学和地球化学研究表明,榴辉岩和脉体中的电气石是由不纯大理石围岩在2.2 ~ 2.6 GPA/610 ~ 660℃释放的富硼流体置换而成。质量平衡计算发现,置换过程导致大量硼、碳和大离子石元素从大理岩中移出,进入榴辉岩体系。原位分析表明,单颗粒电气石具有均匀且高的δ11b值(高达15‰,图2),表明从俯冲碳酸盐岩释放的变质流体明显富集了11b,还表明俯冲带的流体置换和结晶过程不会导致硼同位素分馏。模拟计算表明,流体中硼含量达到700 μg/g(至少是衰竭地幔楔的7000倍),这将对俯冲带硼循环产生显著影响。

这项工作的意义在于:

(1)电气石榴辉岩首次在世界上最大的超高压变质带中发现,对阐明该地区超高压岩石的类型非常重要。该样品也是大理石中第一个电气石榴辉岩。

(2)变质碳酸盐岩(不纯大理石)是俯冲板块中重要的重硼同位素储层。地幔楔和衍生岩浆的硼含量和同位素组成可以通过会聚板块边界的硼去除和再循环过程而显著改变(图3)。特别是在大陆俯冲带,变质碳酸盐岩可能是俯冲板块中唯一已知的重硼同位素储层。

(3)由于大理岩既是碳储层又是(重)硼储层,因此本研究也为理解俯冲带中碳和硼的共同演化以及热解碳酸盐岩(通常富含重硼)和蓝钻石(硼蓝)的成因提供了新的视角。

研究结果发表在《地球化学与世界化学学报》上。

图1 a .含电气石的榴辉岩和脉状样品;b .含电气石榴辉岩的显微照片

电气石和地球上重要硼储层硼同位素对比

图3是显示从俯冲变质碳酸盐岩中释放富硼流体的过程以及富电气石榴辉岩和脉体的形成的示意图

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