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地质地球所通过峨眉山玄武岩Mg同位素研究揭示深部碳循环过程

  

  深部碳循环是全球碳循环的重要环节。板片俯冲将地表的沉积碳酸盐岩带入到深部地幔,火山活动把深部碳以CO2的形式释放到地表。在这个循环过程中,碳酸盐岩在深部地幔的储存位置是核心问题,它决定了再循环碳的滞留时间。例如,在岛弧地区,再循环碳酸盐岩俯冲至>120 km的深度,其滞留时间只有5到10个百万年;在中国东部,再循环碳酸盐岩被西太平洋板块携带至地幔过渡带(410-660 km),其滞留时间超过60个百万年;如果再循环碳酸盐岩能进入下地幔,则其滞留时间可能达到1到2个十亿年 

  针对这一科学问题,中科院地质地球所地球与行星物理院重点实验室田恒次博士与其合作导师杨蔚研究员等,以云南东川和巧家出露的峨眉山大火成岩省两类玄武岩为研究对象,对其开展系统的Mg同位素研究。结果表明低钛和高钛两类玄武岩都具有与地幔相似的Mg同位素组成,其δ26Mg分别为-0.33 ~ -0.19 ‰-0.35 ~ -0.19 ‰,与夏威夷地幔柱成因的玄武岩Mg同位素组成一致,但是显著低于中国东部<110Ma的玄武岩Mg同位素组成(图1)。 

  1 峨眉山低钛和高钛两类玄武岩Mg同位素组成与CaO/Al2O3SiO2Fe/MnHf/Hf*变化关系图。<110Ma的中国东部玄武岩。

  对比数据为夏威夷玄武岩和

箭头的方向表示源区受到了再循环沉积碳酸盐岩的影响

  低钛玄武岩具有富集轻稀土元素,低的εNd(t)-10.5 ~ -8.8),低的Ce/Pb和高的Ba/Th特征,这说明它很可能来自于受到俯冲板片来源流体交代作用的岩石圈地幔。然而,低钛玄武岩的Mg同位素组成与平均地幔的Mg同位素组成一致,这说明流体交代作用并没有改变岩石圈地幔的Mg同位素组成。这主要归结于两个原因:(1)低钛玄武岩具有高的Hf/Hf*Ti/Ti*,指示流体可能并不含有碳酸盐岩成分以及(2)俯冲板片来源的流体主要溶解沉积碳酸盐岩中的富Ca方解石,因此流体的Mg含量相对地幔很低,难以改变地幔。而这一研究结果与前人对岛弧玄武岩的Mg同位素研究结果一致。 

  高钛玄武岩具有OIB类似的微量元素蛛网图以及高的εNd(t)+0.2 ~ +2.1)特征,这表明其很可能是下地幔起源的地幔柱部分熔融的产物。高钛玄武岩地幔相似的Mg同位素组成说明源区混入的碳酸盐岩的量非常有限。模拟计算表明,其源区混入的碳酸盐岩的量≤2%。因此,该Mg同位素研究表明再循环沉积碳酸盐岩很可能难以进入到下地幔,这与高温高压实验岩石学的结果一致。 

  以上研究结果近期发表在国际岩石地球化学领域期刊LithosTian et al. Could sedimentary carbonates be recycled into the lower mantle? Constraints from Mg isotopic composition of Emeishan basalts. Lithos, 2017, 292-293: 250-261)。 

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