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岩石圈地幔的钾同位素组成

2021-08-02 15:32     来源:地学之家     钾同位素 稳定同位素比率分析
随着分析技术的提高,越来越多的学者开始关注金属稳定同位素地球化学。尤其是钾同位素体系,近年来逐渐成为研究的热点。前人的研究主要针对海水、硅酸盐地球等各个储库和大陆风化、海水蚀变、俯冲变质脱水过程的研究。然而,由于岩石圈地幔物质低的钾含量、易受混染、构造背景复杂等原因,岩石圈地幔的钾同位素组成研究相对缺乏。近期,法国蒙彼利埃大学Dmitri A. Ionov和美国圣路易斯华盛顿大学Kun Wang联合,系统分析了不同构造环境的岩石圈地幔包体、岩石圈富钾矿物及包体寄主岩石的钾同位素组成特征,相关成果发表在Geochimica et Cosmochimica Acta。

研究的地幔包体样品主要来自西伯利亚和蒙古。包括:西伯利亚克拉通、西伯利亚克拉通与华北克拉通之间的中亚造山带、贝加尔湖地区、俄罗斯远东和太平洋海岸的堪察加半岛。前人已对以上样品开展了大量的研究,根据构造背景、交代特征等,可以分成5类。

(1)第一组为富沃-中等亏损的二辉橄榄岩(Group 1),主要为单斜辉石富集的尖晶石和石榴石-尖晶石二辉橄榄岩,初始地幔标准化具有轻稀土平坦或亏损的特征,表明这些样品具有与洋中脊玄武岩地幔源区类似的特征,这些样品具有7-90ppm的钾,δ41K为-1.09‰至-0.49‰,平均为-0.77±0.36‰(图1和2);

图1 岩石圈地幔包体钾同位素组成频率分布图
 

图2 地幔包体与地壳物质钾同位素组成对比

(2)第二组为交代的板内橄榄岩(Group 2),含有角闪石或金云母的二辉橄榄岩(Group 2a)及其中单矿物钾同位素组成变化范围较小,δ41K为-0.77‰至-0.37‰,平均为-0.53±0.26‰,含有金云母的克拉通方辉橄榄(Group 2b)岩δ41K为-1.05‰至-0.35‰,隐型交代的非克拉通方辉橄榄岩(Group 2c)具有低的钾含量和低的钾同位素组成,δ41K为-2.11‰至-1.27‰,交代的含长石的二辉橄榄岩(Group 2d)具有高的钾含量(110-1900ppm),钾同位素组成为-1.49‰至-0.42‰,平均为-1.00±0.68‰,熔体囊橄榄岩(Group 2e)钾含量为170-330ppm,钾同位素组成为-2.15‰至-0.61‰(图1和2);

(3)俯冲带方辉橄榄岩(Group 3)具有低钾含量(17-21ppm),最高的钾同位素组成为0.40‰至0.62‰,平均为0.51±0.30‰;

(4)第四组为交代的包体(Group 4),金云母富集的二辉橄榄岩(Group 4a)钾含量为280-1080ppm,钾同位素组成为-0.31‰至-0.06‰,平均为-0.19±0.30‰,单矿物金云母具有较高的钾同位素组成,δ41K为0.16‰;橄榄石中金云母和辉石富集的脉体(Group 4b)具有最低的钾同位素组成,δ41K为-2.77‰(图1和2);

(5)辉石岩和地幔分异的火山岩(Group 5),离散的辉石岩包体(Group 5a)钾同位素组成为-0.72‰至-0.29‰,平均为-0.51±0.42‰,地幔包体寄主岩(Group 5b)具有相对较小的钾同位素组成变化范围δ41K为-0.27‰至-0.53‰,平均为-0.45±0.08‰(图1和2)。

该研究指出Tariat地区的二辉橄榄岩代表了陆下岩石圈地幔的钾同位素组成,平均δ41K为-0.65±0.30‰,略低于大洋玄武岩,但整体在大洋玄武岩范围内,陆下岩石圈地幔具有大的钾同位素变化范围,可能反映了熔融后的钾元素再分配(图1和2)。另外,结合Group 1最富沃的二辉橄榄岩和Group 2a轻微交代的二辉橄榄岩可以获得正常非克拉通岩石圈地幔的钾同位素组成为-0.57±0.28‰,该结果也与大洋玄武岩钾同位素组成参考值(-0.43±0.17‰)一致。

来自堪察加半岛地区的俯冲带方辉橄榄岩包体(Group 3)具有比大洋地幔更高的δ41K,是该研究获得的最重的钾同位素组成。该研究指出该特征可能是板片分异流体的影响(图1d)。前人研究发现洋壳在俯冲过程可以发生进变质脱水作用,脱出的流体具有重的钾同位素组成,可以解释俯冲带方辉橄榄岩的钾同位素特征,而残余的板片具有轻的钾同位素,可能形成具有轻钾同位素组成的地幔区域,因此可以解释该研究获得的具有轻钾同位素的地幔包体(Group 2b-e)。此外,俯冲带沉积物也具有轻的钾同位素组成,因此也可能是地幔包体轻钾同位素组成的一个原因。

基于前人获得的地壳物质的钾同位素组成,该项研究发现虽然岩石圈地幔包体具有大的钾同位素变化范围,但通常集中于较小的范围,而且与大洋玄武岩及大陆地壳组成类似(图2)。因此,该项研究指示硅酸盐地球的主要含钾地质储库均具有类似的钾同位素组成。以上可能反映了地幔熔融和岩浆分异过程中钾同位素分馏尺度有限。目前,俯冲带流体相关的分馏过程可能是造成钾同位素分馏的重要原因,因此钾同位素体系具有示踪流体相关地质过程的重要潜力,并且需要开展更多的研究。

该项研究近期发表在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


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