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2022年11月21日
中国科大揭示橄榄岩蛇纹石化过程中存在显著的Mg同位素分馏特征

我校陈伊翔教授团队通过对蛇纹岩天然样品的系统分析,首次清晰揭示了橄榄岩蛇纹石化过程中存在显著的Mg同位素分馏。这个发现不仅挑战了前人认为只有蛇纹岩风化过程才会有Mg的迁移和Mg同位素分馏的认识,而且对理解海水化学组成变化和地幔Mg同位素不均一性具有重要意义。该成果近日发表在国际地球化学领域顶级期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。

橄榄岩蛇纹石化过程广泛出现在海底大洋岩石圈和弧前地幔楔中,对于生命起源环境和地球内部物质循环具有重要作用。大洋岩石圈地幔的蛇纹石化过程和随后发生的蛇纹岩风化作用,会显著改变海水的元素和Mg同位素组成,是理解地球历史上海水化学组成变化和Mg的深部地球化学循环的关键环节。

橄榄岩蛇纹石化和化学风化是两个不同的过程,形成于不同的温度条件并具有差异性的矿物组合。前人研究发现,橄榄岩化学风化过程中有显著的Mg丢失和Mg同位素变化。然而,这些研究没有区分蛇纹石化和化学风化过程的独立影响,而是全部归结为化学风化的结果。这导致对蛇纹石化这一重要地质过程中Mg元素和同位素行为的认识长期悬而未决。

针对以上问题,陈伊翔教授团队选取全球典型的古大洋岩石圈(西藏日喀则蛇绿岩)作为研究对象,对橄榄岩和蛇纹岩进行了深入的岩石学和地球化学分析。他们选取的研究样品背景清楚,可以准确衡量蛇纹石化发生前后的化学变化;同时将Mg和O同位素相结合,不仅可以准确限定蛇纹石化的温度,而且可以有效判断化学风化的影响。

研究结果发现,橄榄岩只是经历了蛇纹石化过程,未受到显著的化学风化影响。根据橄榄岩和蛇纹岩的主量元素和Mg同位素组成差异,清晰揭示了蛇纹石化过程中确实发生了明显的Mg丢失和Mg同位素分馏(图1)。

图1橄榄岩和蛇纹岩的Mg含量变化以及Mg-O同位素组成

根据蛇纹石化过程中Mg含量和Mg同位素组成变化,精确限定了流体与蛇纹岩之间Mg同位素的分馏系数α (26Mg/24Mg)值为0.997-0.999,这个值与前人理论计算结果一致(图2)。考虑蛇纹石化反应特征,确定该温度下蛇纹石化流体的平均d26Mg值为–1.9‰左右,显著低于现今海水的Mg同位素组成。

图2橄榄岩蛇纹石化过程中流体-矿物间的Mg同位素分馏系数及其与温度的关系

由于洋底蛇纹石化广泛存在,并在地球历史上长期存在,蛇纹石化过程中Mg元素的加入会对海水的化学演化和Mg同位素组成造成显著影响。同时,海底蛇纹石化会形成具有重Mg同位素组成的蛇纹岩,这些蛇纹岩随着大洋岩石圈俯冲进入地幔会引发地幔Mg同位素组成的变化,并使相关岩浆岩产生重Mg同位素组成的信号。

我校地球和空间科学学院博士后赵梅善为论文的第一作者,陈伊翔教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703722006032

(地球和空间科学学院、科研部)

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