实验分析平台
徐勇: 威尔逊旋回中不同硫逸度的熔/流体对岩石圈地幔的改造【JGR-Solid Earth】
发布时间：2021-09-06 作者： 阅读：423次
作为消失的大洋岩石圈的残余，蛇绿岩潜在地记录洋盆从出生到死亡的生命周期——威尔逊旋回。形成于不同构造环境的蛇绿岩，比如，洋陆转换带（OCT）、洋中脊（MOR）及俯冲带（SSZ），可以联合起来反映威尔逊旋回从开始到结束的（开启、扩张、闭合）完整演化历程。而且，以上不同类型的蛇绿岩在它们的岩石组合与地球化学组成上也表现出系统的变化，这与不同地球动力学背景所控制的地幔熔体抽取、岩石圈物质再循环以及地幔熔体交代等过程具有密切的关联。先前的研究已经发现，从OCT和MOR到SSZ，蛇绿岩地幔部分会逐渐亏损，而且地幔橄榄岩全岩与矿物中不相容的亲石元素体系也会出现相应的变化。然而，对合金与硫化物具有极强亲和性、在地幔中相对富集的强亲铁元素（HSE：锇[Os]、铱[Ir]、钌[Ru]、铂[Pt]、钯[Pd]、 铼[Re]），其在威尔逊旋回中的行为却没得到系统性研究。此外，相较亲石元素而言，HSE所包含的铂族元素（PGE：Os、Ir、Ru、Pt、Pd）及其同位素体系（190Pt-187Re-186, 187Os）对于蛇绿岩所经历的风化与蛇纹石化等低温蚀变作用相对不敏感，对于地幔示踪具有得天独厚的优势。
为了更加全面地示踪威尔逊旋回中的岩石圈地幔演化历程并且探讨铂族元素的迁移与富集机制，中国地质大学（北京）科学研究院博士研究生徐勇，在其导师刘金高教授的指导下，联合本校董国臣教授和阿尔伯塔大学Graham Pearson教授，利用研究希腊Lesvos岛新发现的OCT型蛇绿岩橄榄岩HSE丰度与Re-Os同位素组成的契机，系统地搜集和比较了全球不同类型蛇绿岩橄榄岩HSE与Re-Os同位素数据库，取得了如下重要发现和结论：
（1）Lesvos橄榄岩是典型的OCT地幔构造岩，原始上地幔标准化HSE配分型式较平坦，尽管经历了来自S饱和的玄武质岩浆显性与隐性交代作用（LREE富集、Pd/Ir略微升高），但是对于Os同位素组成影响有限。Lesvos橄榄岩投点全部落在OCT与MOR范围之内，没有经历俯冲相关的过程。熔体抽取指标Al2O3（0.45-3.66 wt.%）、Pd/Ir（0.85-2.61）均与187Os/188Os（0.1177-0.1324）之间没有相关性（图1），说明Lesvos岩石圈形成于近期的熔体亏损。此外，Lesvos橄榄岩中包含有古老Re亏损Os模式年龄（TRD=1.6 Ga）的样品，可能代表了洋陆转换期间出露的再循环的古老岩石圈地幔（图1-2）。此外，全球蛇绿岩橄榄岩Os同位素组成与TRD年龄统计表明，尽管对流地幔再均一化作用强大，但是不能完全抹除造成地幔不均一性的再循环的洋陆岩石圈的痕迹（图2）；
（2）相较于OCT与MOR蛇绿岩，SSZ蛇绿岩具有更亏损的Al2O3含量，这与基于熔融条件的推测相符，然而其极低的Os/Ir、极高的Pd/Ir以及更高的放射成因Os同位素组成（图1、图3），却与基于熔融程度和元素相容性顺序的理论推测（红色箭头）相反。联系威尔逊旋回不同阶段岩石圈地幔可能出现的交代介质，本文提出如下模型（图4）：（Ⅰ）从洋盆发展的胚胎期和幼年期（OCT）到成熟期（MOR），扩张脊减压部分熔融导致地幔发生低-中程度的熔体亏损。随后或与此同时，软流圈来源的S饱和的（高fS2）玄武质岩浆会与上覆的亏损地幔发生显性/隐性交代反应，伴随有微量的贱金属硫化物（BMS）加入到橄榄岩中；（Ⅱ）当发展到洋盆闭合的老年期和衰亡期（SSZ），会涉及到更复杂的地幔过程：首先，由于流体的注入，地幔熔体亏损程度会进一步地升高；然后，高fO2的板片脱水流体和/或S不饱和的（低fS2）玻安质岩浆会渗透到地幔楔中，溶解并带走含HSE的原生硫化物，创造一种BMS‘饥荒’的状态；最后，S饱和的弧前玄武质岩浆交代BMS预亏损的橄榄岩，很容易将贫Os富Pd的BMS导入，并且造成极具放射成因的Os同位素组成。
图3 不同类型蛇绿岩（包括Lesvos）橄榄岩Al2O3、Os/Ir、Pd/Ir以及γOs箱线图
该成果的科学价值在于：（1）首次系统地总结和概括了威尔逊旋回期间岩石圈地幔强亲铁元素的地球化学行为以及示踪了不同硫逸度交代介质主要的作用区间；（2）强调了多期次的、不同硫逸度的熔/流体交代是导致铂族元素（尤其Pt、Pd）异常富集的主要原因，而且该过程主要发生在俯冲相关的环境，这对蛇绿岩/铬铁矿中铂族元素矿床的勘探具有重要启示意义。
图4 威尔逊旋回期间岩石圈地幔多阶段的演化历史卡通图
以上成果发表于地球科学国际权威刊物《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》，文章信息如下：Xu, Y., Li, D., Li, D., Dong, G.-C., Pearson, D. G., & Liu, J. (2021). Modification of lithospheric mantle by melts/fluids with different sulfur fugacities during the Wilson Cycle: Insights from Lesvos and global ophiolitic peridotites. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2021JB022445. [IF 2020=3.848]
