中国科大利用Fe同位素示踪俯冲带深部流体性质获进展

发布时间:2019-10-25 11:32:28

最近,中国科技大学地球与空间科学学院郑费勇团队特聘教授陈向异教授在俯冲带深部流体中铁的迁移行为和氧化还原性质方面取得了新进展。地球化学领域的相关工作发表在《地球化学与世界化学学报》上。本文的第一作者是陈向异,陈向异和中国地质大学(北京)副教授何永生是本文的合作作者。

板块构造和俯冲带的存在是区分地球和太阳系其他固体行星的重要标志之一。俯冲带是连接地球表生层和深层的关键环节。俯冲带的流体活动及相应的地球化学分异和物质输运对于理解岛弧火山作用、地幔非均质性和地壳地幔系统的长期化学演化等许多关键科学问题具有重要意义。氧化还原敏感元素(铁、碳、硫等)的化学迁移。)俯冲板块与地幔楔之间,地幔楔和弧岩浆的氧化还原状态发生很大变化,从而影响俯冲带金属元素的迁移、富集和矿化,成为国际学术研究的热点和前沿。然而,由于地质流体的复杂性,目前对俯冲带中铁迁移和俯冲带流体氧化还原状态的认识仍然十分有限。

为了解决这个问题,该小组选择了意大利西阿尔卑斯山造山带多拉-迈拉地体的白色片岩进行研究。在这些岩石中,人类首次发现了指示超高压变质作用的矿物柯石英(coesite),这开启了大陆深俯冲和超高压变质作用研究的序幕,极大地促进了大陆动力学的发展。因此,这些岩石受到了国际学术界的广泛关注。该小组的前期工作,结合镁氧同位素和锆石微分析,将白片岩的原岩鉴定为变质花岗岩,澄清了过去35年来对其原岩性质的争议,发现白片岩具有世界上最重的镁同位素组成(δ26mg高达0.75‰)。首次揭示了俯冲带富含地幔楔滑石蛇纹石的独特地质现象、深俯冲陆壳的脱水和逆交代作用,并建立了镁同位素示踪蛇纹石源流体活动的新思路。这些成就分别发表在2016年和2017年的《地球和行星科学快报》第456期、第157-167期。化学地质学467,177-195).

最近,该小组对白片岩中铁同位素的分析结果显示,白片岩中的铁同位素组成是世界上高温岩石中最重的(δ56fe高达1.22‰)。其铁同位素组成明显不符合火成岩岩浆演化趋势,表明俯冲带流体置换过程的影响(图1)。全岩的feot含量和fe3 /∑fe数据表明交代作用过程中交代花岗岩的总fe含量和fe3 /∑fe比值明显降低,但fe同位素组成明显较重(图1)。

铁同位素结果表明,在流体置换过程中,铁的活性以fe2为主,同位素分馏模拟表明其种类主要是Fe(ⅱ)-cl和Fe(ⅱ)-(hs)络合物。这些结果表明,俯冲带深部流体应为高盐度和局部存在的还原性流体,这与以往的岩石学观察一致。这明显不同于人们普遍认为的俯冲带深部流体的高氧化特征。根据西阿尔卑斯造山带的结构演化特征,该团队进一步提出了大陆俯冲隧道中俯冲板-地幔楔界面流体置换过程中铁迁移的结构模型(图2)。总之,这一成果为利用铁同位素追踪俯冲带深部流体性质提供了新的思路和典型案例,揭示了俯冲带深部局部相对还原性流体的存在,对了解弧岩浆和地幔楔的氧化还原态和铁同位素体系具有重要意义。

评论家高度评价了研究成果,称:“总之,我认为这项工作是俯冲过程中地质储层之间氧化还原能力交换的里程碑”。"作者的详细研究为俯冲带的交代作用提供了独特的视角."

这一系列工作得到了国家重点研发项目“转型技术关键科学问题”、国家科技部“973”项目、国家自然科学基金委员会、中国科学院青年创新促进会和中央大学创业基金的支持。

图1阿尔卑斯山西部造山带白片岩(红色)和变质花岗岩(蓝色)铁同位素组成与全岩铁含量的关系

图2俯冲带深部流体运移过程中铁活动示意图

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