中国科学家发表IODP 351航次新成果:运用玄武岩重镁同位素组成限定IBM俯冲起始阶段地幔状态

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所属分类:研究成果

国际地球化学期刊Geochimica et Cosmochimica Acta发表了中国科学院海洋研究所孙卫东研究团队的最新成果:Heavy magnesium isotopic compositions of basalts erupted during arc inception: Implications for the mantle source underlying the nascent Izu-Bonin-Mariana arc。研究团队对国际大洋发现计划(IODP)351航次的U1438站位获取的奄美盆地玄武岩开展了全岩主-微量元素和镁同位素研究,查明了奄美盆地玄武岩镁同位素组成特征,限定了俯冲起始时仰冲盘地幔状态。 

俯冲起始机制是科学界广为关注的问题,但目前对俯冲起始机制的认识还相对欠缺。伊豆-小笠原-马里亚纳(Izu-Bonin-Mariana,IBM)俯冲体系因其产出并保存了俯冲起始阶段早期形成的多类型岩石,是研究俯冲起始的天然实验室。IODP 351航次U1438站位(图1)在奄美盆地(Amami-Sankaku-Basin,ASB)获取的玄武岩,形成于弧前玄武岩和玻安岩向初始岛弧过渡时期,记录了俯冲起始早期的信息。

中国科学家发表IODP 351航次新成果:运用玄武岩重镁同位素组成限定IBM俯冲起始阶段地幔状态

图 1U1438站位图及钻孔地层图

这项研究通过对奄美盆地玄武岩岩芯样品进行镁(Mg)同位素(δ26Mg)和全岩主-微量元素分析研究,报道了俯冲起始阶段岩浆镁同位素特征及其对原始IBM弧下地幔源区特征的指示意义。ASB玄武岩的δ26Mg值范围为−0.21‰至+0.08‰,平均值为−0.13±0.07‰。这些值系统地高于大洋中脊玄武岩的值(−0.25±0.06‰)(图2)。

中国科学家发表IODP 351航次新成果:运用玄武岩重镁同位素组成限定IBM俯冲起始阶段地幔状态

图 2 奄美盆地玄武岩与各主要岩石类型的Mg同位素组成

通过岩石学观察,并结合各类地球化学指标,这项研究探讨了奄美盆地玄武岩镁同位素组成未受到包括岩浆喷发后的蚀变、分离结晶、部分熔融或俯冲物质输入在内的多过程影响。发现奄美盆地玄武岩的重镁同位素继承了其地幔源区特征。研究提出地幔源区中的蛇纹岩组分提供了奄美盆地玄武岩的重镁同位素来源。地幔中富水蛇纹岩组分的存在为难熔地幔如何在类似于MORB形成的温度和压力下部分熔融提供了一个新视角。这项研究限定了俯冲起始时仰冲盘的地幔状态,为后续研究俯冲正式起始后俯冲物质的输入提供了原始参考条件。此外,这项研究提出由于地幔中镁同位素存在不均一性,在未来研究中应仔细讨论俯冲组分的加入以及地幔不均一性对镁同位素差异的贡献。

论文得到了国家自然科学基金、中科院先导项目、泰山学者青年项目等项目的资助。论文作者包括中国科学院海洋研究所袁帅博士、李贺研究员、孙卫东研究员、澳洲国立大学Richard J. Arculus教授、中国地质大学(北京)何永胜教授。通讯作者为李贺研究员。

论文信息

Shuai Yuan, He Li, et al. Heavy magnesium isotopic compositions of basalts erupted during arc inception: Implications for the mantle source underlying the nascent Izu-Bonin-Mariana arc[J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2023, 352: 14–23.

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703723001862