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NatureEM2地幔端元的成因大陆

来源:萨摩亚 时间:2021/8/7
全篇约字,4图,阅读时间约需8分钟研究证明大量陆源沉积物可以在俯冲带进入深部地幔,但它们在地幔中的命运却鲜为人知。俯冲的沉积物可能被上涌的地幔柱挟带并在热点地区返回至地球表面,但是在地幔中再循环沉积物的比例很小,因此,热点地区的熔岩中再循环沉积物的明确例子很少。Jacksonetal()对西萨摩亚Savaii岛3个拖网位置的熔岩进行了研究,报道了洋岛玄武岩中最富集的Sr和Nd同位素特征的样品。Jacksonetal()认为萨摩亚地幔源区存在再循环沉积物的贡献。微量元素数据表明再循环的沉积物与大陆上地壳类似,包括其极低的Ce/Pb和Nb/U比值。该地球化学特征证明了萨摩亚地幔柱源区存在再循环的大陆上地壳,并且重新评估了富集地幔端元的组成特征(EM2)和成因。在热点喷发的洋岛玄武岩代表了地幔的组成,研究证明尽管其成因仍存在争议,但他们通常可以解释为不同地幔端元组成的混合。地幔地球化学演化的模型认为大部分的化学组成多样性是俯冲作用的结果,俯冲作用是一种构造过程,它将富集的大洋地壳和不均一的沉积物引入到一个基本原始(或略有亏损)的地幔中。地壳物质俯冲后,与地幔物质发生混合,因此形成具有富集特征的地幔区域。这些富集端元主要包括HIMU(highμ=U/Pb)、EM1和EM2。另外亏损端元为DMM(depletedmid-ocean-ridgebasaltmantle)。HIMU端元代表了再循环洋壳的贡献,而大部分的模型则认为EM1和EM2地幔端元代表了具有不同岩性沉积物的再循环。

萨摩亚岛热点代表了典型EM2地幔端元。最早的高精度87Sr/86Sr和Nd/Nd研究认为其地幔源区存在沉积物的贡献,然而最近的研究则质疑以上结论,并认为其富集的特征可能是交代过程导致的。新的萨摩亚EM2熔岩具有极端的同位素组成和化学富集特征,表现出明显的大陆特征,证明萨摩亚地幔柱存在再循环的古老大陆上地壳物质。

最富集的萨摩亚熔岩采自Savaii岛西南侧,全岩(D-21)87Sr/86Sr为0.769,单斜辉石具有更高的87Sr/86Sr值,为0.;次富集的样品(D-18)全岩87Sr/86Sr为0.,单斜辉石为0.–0.;该位置其他样品也表现出富集的Sr同位素特征,87Sr/86Sr为0.–0.。Savaii岛西侧样品全岩(D)87Sr/86Sr为0.;Savaii岛东北侧样品全岩(D)87Sr/86Sr为0.,该位置其他样品87Sr/86Sr为0.–0.。最富集的样品同时也具有最低的Nd/Nd和3He/4He比值,其范围超过了全球已知的洋岛玄武岩范围(图1)。大陆上地壳具有亏损Nb、Ta、Ti、Eu和富集Pb的特征(图2),而萨摩亚玄武岩具有与大陆上地壳类似的微量元素配分特征,而且随着样品Sr、Nd同位素富集程度的增加,其微量元素特征越接近大陆上地壳组分(图3)。并且,中下大陆地壳以及陆下岩石圈地幔均无法解释萨摩亚微量元素特征。因此,这些数据表明萨摩亚地幔源区存在再循环的上地壳组分。图1萨摩亚熔岩87Sr/86Sr和Nd/Nd同位素组成图2萨摩亚熔岩样品初始地幔标准化的微量元素配分图图3萨摩亚熔岩87Sr/86Sr和Nd/Nd同位素组成与微量元素比值相关图

Pb同位素的证据表明萨摩亚熔岩的富集特征不可能是由于浅部现代大洋沉积物的混染,因为在ΔPb/Pb-ΔPb/Pb图上,萨摩亚熔岩与全球沉积物组成完全处于不同的位置(图4)。

图4萨摩亚熔体ΔPb同位素组成与大洋沉积物样品的差异,表明不存在沉积物的混染

利用样品的微量元素特征可以获得萨摩亚地幔源区富集大陆上地壳组分的比例约为5%,基于该比例可以进一步确定富集组分的87Sr/86Sr和Nd/Nd的组成分别为0.和0.。表明在萨摩亚地幔源区存在比现今大陆地壳更加富集的物质。尽管有大量的沉积物在俯冲带发生俯冲进入地幔,然而在洋岛玄武岩中,与再循环大陆地壳有关的同位素特征是比较罕见的。这种富集成分在萨摩亚地幔柱中也不常见,极富集的萨摩亚熔岩D-18经计算只有5%的再循环大陆上地壳,剩余的90%萨摩亚玄武岩具有亏损的特征。除了在其他洋岛玄武岩中罕见外,再循环大陆上地壳也可能以较低的丰度存在于萨摩亚地幔柱中。另外也可能是大多数俯冲的沉积物发生熔融后在俯冲带火山中迅速返回地表,或者只是被刮到前弧上而从未被俯冲。另外,如果很大一部分大陆上地壳在过去的4Gyr中被俯冲,并经受住了俯冲带熔融的影响,那么由此产生的地幔中积累的储层只占其质量的0.15%。在被地幔对流搅拌后,这样一个小的储层可能会被周围的地幔稀释,这是一种有效地减弱地幔非均匀性的机制。因此,再循环的地壳特征会被极大地稀释,而难以被探测。相比之下,萨摩亚地幔柱中的再循环大陆上地壳成分可能是混乱地幔中的一个异常幸存者。

该项研究发表在Nature上Jackson,M.G.,Hart,S.R.,Koppers,A.A.P.,Staudigel,H.,Konter,J.,Blusztajn,J.,Kurz,M.,Russell,J.A.().ThereturnofsubductedcontinentalcrustinSamoanlavas.Nature,(),-.原文链接:

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