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新证据,全球岩浆硫同位素重塑了地球地壳的循环过程

2021-12-20 16:50     来源:EarthScience读书会     同位素分析
为了满足人类对未来资源的需求,地质学家需要了解遥远过去的火山。本文提出,在格陵兰岛等地对古代岩浆房的认识,有可能为现代绿色技术提供稀有金属的新来源。

许多稀有金属——如钕、铌和镝——对风力涡轮机和电动汽车的生产至关重要,都是从火山中开采出来的。

火山是自然界将物质从地球深处带到地表的方式。地幔(地球内部过热的地核和薄薄的外壳之间的部分)内的熔融过程产生岩浆,岩浆上升数百公里,最终以火山的形式喷发到地表。

地壳是由半刚性的板块组成的,这些板块在被称为俯冲带的区域内移动和碰撞形成山脉或下沉。火山带到地球表面的物质量与通过下沉的构造板块返回地幔的物质量相当。

这就指向了我们所说的“元素循环”,即物质从深处通过火山到达地表,然后通过俯冲再次返回地幔。地球科学中的一个大问题是这种俯冲物质会发生什么变化,以及它在地幔中的存在时间。

火山

我们最近的研究研究了格陵兰岛南部的一组古代火山。大约13亿年前,格陵兰岛是一个火山地貌,有很深的裂谷,很像现代东非。大量的火山喷发到地表,与尼罗河相似的主要河流系统将这些火山中的矿物带到大片区域。

格陵兰的河流和火山现在已经被长期侵蚀,但河流输送的沉积物仍然可以找到,而在这些古老火山下面运行的火山“管道系统”保存着喷发的岩浆样本。

我们想了解元素循环与格陵兰这些古老火山中关键金属浓度的关系。虽然研究有价值的元素本身是有用的,但有时我们可以通过研究与它们相关的其他元素来了解更多关于地球元素周期的信息。

硫的印记

在我们的研究中,我们使用的元素硫有四种稳定形式(称为同位素)。每一个都有稍微不同的质量。这一点很重要,因为自然过程可以选择性地将较轻的同位素从较重的同位素中分离出来。就像在一袋MDL上吃零食,你更喜欢红色的,而不喜欢棕色的MDL,地质作用会导致不同物质中每种元素相对丰度的变化。

通过测量岩石中同位素的数量,我们可以了解形成岩石的过程。硫同位素特别有用,因为地球表面的生物和地球化学过程(在低温下)在改变硫特征方面非常有效,而岩浆过程(在高温下)不会在轻硫和重硫之间产生太多变化。

为本研究编制的碱性岩的位置。在文中讨论的科拉碱性省和上巴拉纳伊巴火成岩省(APIP)是已知的最大的碱性省。碱性岩主要在大陆环境中发现,虽然也有一些海洋出现,包括加那利群岛热点

因此,岩浆岩中硫特征的变化使我们能够在地幔源中找到回收地壳物质的痕迹。通过选择在不同地质时期活动的火山,我们重建了地幔成分和硫循环在地球历史上的变化。

地质学家早就知道,在过去45亿年中,随着生命的出现,地球表面发生了深刻的变化,并且变得越来越复杂。生命在硫循环中不断增加的印记极大地改变了地球表面沉积物的硫同位素比率,但这种印记以前在地幔岩石中没有记录。

我们的工作首次表明,地幔中硫的特征变化的方式与地球表面硫的变化大致一致。对地球表面的生物和大气影响,硫的特征似乎一直被转移到地球内部。

这意味着地球表面和地幔紧密相连——一个对另一个的变化做出反应——尽管这种循环的时间尺度仍然未知。我们的数据显示,曾经存在于地球表面的硫通过板块活动回到地幔,然后——13亿年前——发现自己在格陵兰火山中回到了地表。这就像地质上的似曾相识。

碱性侵入体硫同位素结果

一个周期还是多个周期?

在地质时期,硫在地壳和地幔之间循环了多少次?我们目前还不知道这个问题的答案,但我们的研究将地球描绘成一个全球元素输送带,地表硫和地幔紧密相连。

这项研究有很多意义。地质学的一个主要问题是稀有金属矿床是如何形成的,特别是对绿色能源革命至关重要的高科技金属。硫的故事似乎与我们对其他同位素的研究一致。例如,世界上最大的元素钽矿床之一(用于电子产品,也集中在格陵兰岛的一座古火山中)具有同位素印记,这也暗示了地壳循环。

这可能是因为这些全球循环多次将元素从地表带到地幔再带回来,每次都有效地集中了这些元素。我们在硫中记录的全球循环可能是产生对现代技术至关重要的金属矿床的重要前兆。通过了解数十亿年前发生的板块构造和岩浆过程,我们可以深入了解如何识别和了解未来的矿产资源。

图解总结了碱性岩浆来源的新证据

摘要

地球表面和地幔硫储库是通过俯冲作用、地壳再循环和火山作用连接起来的。虽然海洋热点熔岩目前对深部硫循环提供了最好的约束,但其有限的年龄范围(200 Ma)意味着它们不能揭示地球历史上地壳循环的时间变化。此时,富硫碱性岩浆应运而生,提供了完美的解决方案,因为它们与循环的物质源区(即交代岩石圈地幔和地幔柱)有关,而且,至关重要的是,在整个地质记录中都可以找到它们留下的足迹。本文通过对格陵兰中元古代碱性岩省硫同位素分馏的详细研究,表明该地区可以重建一个受俯冲作用影响的源区(δ34S of+1 to +5‰)。全球δ34S汇编揭示了碱性岩浆源的长期变化,支持岩石圈地幔成分的变化和/或Ga时间尺度的深部地壳循环。因此,碱性岩浆代表了一个强大但未被充分利用的宝库,用来限制地壳在地质时期的循环。

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