2016年04月08日 星期五

研究亮点

王丹等-GCA:太古宙俯冲作用的Li和B同位素记录

来源:地调局地质所 作者:科技处,王丹 发布时间:2019-11-15

   

  地球被认为是人类现今所知唯一存在板块构造的行星(Stern, 2005)。板块构造的出现为地球生命的延续提供了有利条件,而有关板块构造启动时间一直是未解之谜,这一问题也成为固体地球科学领域研究的重要课题之一。俯冲作用是板块构造最重要的表现形式,俯冲带是壳-幔相互作用发生的主要场所,地表的物质通过俯冲带再循环至深部地幔,这一过程可以被同位素所记录。因此,应用同位素示踪的方法可以帮助我们探索地球早期俯冲作用的印记。太古宙的橄榄岩成为研究这一问题的关键载体,橄榄岩的成因及同位素的特征,可以为探讨早期俯冲作用提供最直接、有效的科学证据。

  中国地质科学院地质研究所/自然资源部深地动力学重点实验室王丹助理研究员与中国科学院地质与地球物理研究所郭敬辉研究员、德国亥姆霍兹地学研究中心Rolf L. Romer教授和Johannes Glodny研究员,针对上述科学问题,对华北克拉通阴山地块出露的太古宙花岗闪长岩及内部的橄榄岩包体进行了详细的岩石学、地球化学和同位素的工作,在传统研究方法的基础上,引入了非传统LiB同位素的研究。LiB同属于流体活动元素,具有较轻的质量,两者的同位素组成在自然界中发生明显的分馏。以Li同位素为例,海水具有重的Li同位素组成,δ7Li可高达+40‰,蚀变洋壳与海水相互作用会继承海水的重Li同位素特征。地幔的δ7Li值为+3.5±1.0 ‰ (2σ)。相对于地幔,大陆上地壳具有较轻的Li同位素组成(通常低于0‰)。不同的岩石单元具有明显不同的LiB同位素的储库,因此,LiB成为示踪俯冲带流体来源及性质的重要手段。

  通过研究表明,橄榄岩包体的形成年龄早于~2.52Ga,与角闪石形成有关的地幔交代时间可能发生于~2.54Ga,与金云母形成有关的交代事件发生在~1.76Ga。橄榄岩的全岩具有非常重的Li同位素(δ7Li>+12‰),橄榄石-斜方辉石-角闪石也记录了重Li同位素组成(δ7Li>+13‰,图2A)。与之相比,晚期的金云母具有轻Li同位素组成(δ7Li=+4 +8‰),并未与其他矿物达到平衡(图2A-B)。围岩寄主闪长岩也具有轻Li同位素组成(图2A),排除了橄榄岩的重Li是由围岩闪长岩发生Li同位素扩散或由金云母形成有关的交代事件导致。重Li是海水最主要的表现形式,这说明橄榄岩包体的形成与受海水或蚀变洋壳释放的流体交代地幔有关。橄榄岩记录了重Li,但却具有较轻的B同位素组成(图2C-D),说明除了俯冲洋壳,俯冲的沉积物也对地幔有所贡献。重Li和轻B同位素的特征指示古老俯冲带释放的熔体/流体可能会发生LiB同位素的解耦。

  该项研究揭示了LiB同位素可以用来示踪古老的俯冲作用,橄榄岩保存了古老俯冲带(洋壳+沉积物)再循环至地幔的LiB同位素记录,说明类似现今板块构造的俯冲作用在晚太古代之前已经启动。同时也说明了俯冲带熔/流体来源的多样性,可能导致LiB同位素发生解耦。

  上述研究成果得到国家自然科学基金(项目号41702201, 41890834, 41972203)及中-德博士后奖学金项目(CSC-DAAD,项目号57251553)的联合资助。

  该项成果发表于Geochimica et Cosmochimica ActaWang, D., et al., 2020. Li and B isotopic fingerprint of Archean subduction. Geochimica et Cosmochimica Acta 268: 446-466. https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.021.

    

图片1

                       图片1榄岩包体显微镜下的矿物结构及组成

    

图片2

                     图片2 橄榄岩包体及寄主岩石的Li和B的含量和同位素组成