中国科大厘定洋壳V同位素及上陆壳Ba同位素组成 2018-06-06

地球是太阳系中唯一的宜居星球,也是唯一同时拥有陆壳和洋壳的类地行星。洋壳和陆壳的形成对于地球的演化和承载生命至关重要。作为地表流体和深部固体地球相互交换的关键界面,洋壳及陆壳可以通过俯冲再循环不断改造着深部地球的组成,它们对于大气圈、水圈、生物圈的组成和作用有着重要的影响。理解洋壳和陆壳的成分及演化,是地球科学领域最重要的科学问题。

 

金属稳定同位素地球化学是近十年来国际上发展快速的新兴方向,为示踪地球各个圈层的演化和相互作用提供了新的手段,而了解地球主要储库同位素组成是开展同位素地球化学示踪的基础和前提。V是变价金属元素,其同位素可为了解地球各个圈层的成分演化及氧化还原条件提供新的制约;Ba是一个微量的碱土金属元素,高度富集在地壳中,Ba同位素可以对了解壳幔物质循环过程提供重要的制约。目前国际上仅有极少数实验室能够测量高质量的V和Ba同位素数据。

 

中国科学技术大学地球和空间科学学院中科院壳幔物质与环境重点实验室黄方教授团队建立了世界一流的V、Ba同位素分析方法,通过对全球代表性样品的高精度同位素分析,确定了洋壳的V同位素及大陆上地壳的Ba同位素组成。对大洋中脊玄武岩和蚀变洋壳剖面的测量显示,这些样品的V同位素组成在误差范围内一致,同时早期岩浆分异和热液交代作用不会改造样品的原始V同位素组成。根据这些样品的测量结果,该团队估计了洋壳的平均V同位素组成(图1:δ51/50V=-0.85±0.02‰, 2SD/√n,n=53),这个结果明显优于国际同行的估计值。对于高分异大洋岩浆岩(安山岩-英安岩)的V同位素测量显示,岩浆演化会产生显著的V同位素分馏,说明单斜辉石和磁铁矿分离结晶可以优先带走低价态的V和轻的V同位素。这个工作奠定了利用V同位素研究壳幔分异及岩浆演化的基础。该研究成果以“Vanadium isotope compositions of mid-ocean ridge lavas and altered oceanic crust”为题,发表在地学领域著名国际期刊Earth and Planetary Science Letters上(Earth and Planetary Science Letters,2018,493, 128-139),论文第一作者为课题组的吴非博士,通讯作者为黄方教授。

 

花岗岩、中国黄土、河流沉积物和冰碛岩可以用来制约上陆壳的Ba同位素组成。对这些样品的测量显示,大陆上地壳具有高度不均一的Ba同位素组成。花岗岩中的Ba同位素变化可能由于岩浆演化晚期富Ba矿物的分离,或者是地壳源区物质的不均一性。黄土具有高度均一的Ba同位素组成,表明我国西部第四纪黄土形成时没有发生显著的同位素分馏。不同历史时期的冰碛岩的Ba同位素分馏明显,反映了30亿年来大陆风化过程的影响。通过所有样品的质量加权平均,获得大陆上地壳平均Ba同位素组成(图2:δ137/134Ba=0.00±0.03‰, 2SD/√n,n=71),相对海水和河水组成偏轻。这个结果为示踪地球圈层之间的Ba循环提供了基准参考线,显示了利用Ba同位素研究岩浆作用的巨大潜力。该研究成果以“Barium isotopic composition of the upper continental crust”为题,发表在地学领域著名国际期刊Geochim. Cosmochim. Acta上(Geochim. Cosmochim. Acta,,2018,233, 33-49),论文第一作者为课题组博士后南晓云,通讯作者为黄方教授。

 

 

图1 洋中脊玄武岩,弧后盆地玄武岩以及蚀变洋壳剖面样品的V同位素组成柱状图

 

 

 

图2 大陆上地壳代表性样品的δ137/134Ba–SiO2图解。蓝色条带显示河水Ba同位素组成的变化范围(δ137/134Ba = -0.04 ~ +0.30‰)

 

上述研究得到了国家自然科学重点基金项目、中国科学院先导项目、科技部重点研发计划和NSF项目的资助。

 

附论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X18302048

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703718302576

 

(地空学院、科研部)

 


     
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