科学研究

王长红:湿的地幔柱与地球深部水循环:来自塔里木大火成岩省超镁铁质煌斑岩的约束【JGR-SE,2023】
2023-01-23 阅读:6018

按照经典的地幔柱模型,大火成岩省(LIP形成的主要因素是从深部地幔上升的地幔柱带来的异常的热导致岩石圈地幔熔融或者上升的地幔柱本身发生减压熔融而形成。至于是岩石圈地幔发生部分熔融或者是地幔柱本身发生部分熔融取决于岩石圈的厚度。但无论是哪种方式,地幔柱的热贡献都被认为是LIP形成的关键因素,并且部分熔融是在相对的体系下发生的,这一点也被一些LIP中的玄武岩岩相特征所佐证,如玄武岩中普遍含有大量粗大的斜长石斑晶缺水条件下形成的。因此,水在LIP中的作用被认为是不显著的。然而,近年来一些学者通过对几个典型的LIP玄武岩的水含量研究发现,其水的含量普遍高于大洋中脊玄武岩,并且和岛弧玄武岩中的水含量接近甚至高于岛弧玄武岩中的水含量。因此,这些学者认为以前LIP中的水含量可能被低估了,水可能对于LIP的形成起到了重要的作用,这是因为水的加入可以大幅度降低地幔橄榄岩的固相线更容易发生大规模的熔融形成LIP。如果这个结论是正确的,那么水又是如何进入到地幔柱中?在热的地幔柱中是以何种形式存在的?

围绕这一科学问题,我校王长红博士在“岩浆-热液演化与金属成矿求真群体张招崇教授的指导下,与瑞士苏黎世联邦理工学院、法国克莱蒙奥弗涅大学、蒙彼利埃大学、捷克布尔诺理工大学以及中科院广州地化所等单位的学者合作,以塔里木大火成岩省中瓦吉里塔格地区一套原始的、深部地幔来源的碳酸盐超镁铁质煌斑岩(方解霞黄煌岩)为研究对象,开展原位SIMSFTIR橄榄石水含量分析,并结合橄榄石He同位素和全岩PbOs同位素定结果,对方解霞黄煌岩地幔源区水含量及水起源进行了研究,取得了以下创新成果:

1SIMS分析结果表明,方解霞黄煌岩中橄榄石的水含量为60-160 ppm1)。FTIR分析表明,橄榄石中的水主要以钛斜硅镁石晶格缺陷形式存在(2)。橄榄石中的水含量主要受岩浆分离结晶作用的影响,具有接近原始的成分特征,仅受到后期扩散作用的轻微影响。橄榄石水含量扩散模拟结果表明,岩浆经历的去气时间为15-417 min3)。

2)根据Fo89最高的橄榄石斑晶的水含量计算得出方解霞黄煌岩母熔体的水含量为~2.6-4.0 wt.%,其地幔橄榄岩源区的水含量为~150-1200 ppm (平均520 ppm),高于亏损地幔橄榄岩源区(<200 ppm

3橄榄石斑晶低于正常(亏损)地幔的He同位素组成(5.31-5.83 Ra和全岩放射性成因的OsPb同位素组成(4表明,水可能与源区存在俯冲循环的富水洋壳物质的加入有关。因此,塔里木大火成岩省的形成可能与地幔源区高的水含量有关。

上述研究成果不仅为塔里木大火成岩省的成因提供了重要证据,同时也为全球深部水循环提供了重要的信息和约束。

1 瓦吉里塔格方解霞黄煌岩橄榄石SIMS水含量与主微量元素图解


图2 瓦吉里塔格方解霞黄煌岩橄榄石显微FTIR水含量测定结果 


图3 瓦吉里塔格方解霞黄煌岩橄榄石显微FTIR水含量剖面分析及水扩散模拟



图4 瓦吉里塔格方解霞黄煌岩全岩Pb vs. Sr和Nd同位素组成 


上述研究成果发表在国际权威地学期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上,文章信息如下:Wang, C.H., Zhang, Z.C., Giuliani, A., Demouchy, S., Thoraval, C., Krmí?ek, L., Bo, H.Z., Zhang, W.F., Xia, X.P, 2023. Hydrogen Concentrations and He Isotopes in Olivine From Ultramafic Lamprophyres Provide New Constraints on a Wet Tarim Plume and Earth’s Deep Water Cycle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2022JB024961 [IF2021=4.39]

全文链接: https://doi.org/10.1029/2022JB024961