近日，美国地球物理联合会(AGU)旗舰刊物《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》（Nature Index期刊，中科院二区，IF：3.9）以“Tracing Sediment Melt Activity in the Sub‐Continental Lithosphere: Insights From Zn‐Fe Stable Isotopes”（Zn-Fe同位素角度示踪岩石圈中沉积物熔体活动）为题，在线发表了广州海洋地质调查局在示踪深部含碳酸盐沉积物熔体活动取得的重要成果。
板块构造运动引起的浅表与深部地球之间物质及能量循环过程是大洋钻探计划的战略目标之一。板块构造引起的俯冲作用可将富集的地壳物质输送至上覆板片岩石圈以及深部地幔中，促进地球浅表与深部之间物质循环。来自俯冲板片的沉积物、蚀变洋壳、蛇纹岩释放的熔、流体会交代上覆岩石圈并改造其物理化学性质（如氧化还原状态等）。因此，探究板片来源沉积物熔、流体性质以及示踪上覆岩石圈中沉积物熔、流体活动是理解元素循环和岩石圈地幔演化不可或缺的内容，也可为广州海洋局后期开展大洋钻探探究地球深部动力学过程方面研究奠定基础。
近十年以来，Zn-Fe同位素逐渐被用于探究板片来源熔、流体性质以及俯冲带中元素活化迁移过程。然而，目前从岛弧火山岩角度很难约束板片沉积物来源熔/流体对上覆岩石圈地幔Zn-Fe同位素组成的影响。针对上述问题，作者通过对俯冲带来源的单斜辉石岩包体以及一个特殊的“玻璃质”包体Sr-Nd-Zn-Fe同位素研究，来探究Zn-Fe同位素在示踪板片来源沉积物熔体性质以及识别上覆岩石圈地幔中的沉积物熔体活动方面的潜力。
图1. 单斜辉石岩和“玻璃质”样品的Zn-Fe同位素组成。洋中脊玄武岩、洋岛玄武岩及岛弧火山岩数据作为对比。浅蓝色和浅绿色条分别代表硅酸盐地球的δ66Zn值(0.20‰±0.03‰)和δ56Fe值(0.03‰±0.03‰)
单斜辉石岩全岩及单矿物Zn-Fe同位素分析结果见图1。单斜辉石岩代表交代地幔低程度部分熔融形成的玄武质熔体的堆晶岩，后期经历了不同程度的含水沉积物熔体交代。随着单斜辉石岩受后期交代程度的升高，其Rb/La、K/U和Ba/Th比值逐渐升高、Th/Nb比值逐渐降低，同时单斜辉石岩的δ66Zn值(0.04‰~0.46‰)逐渐升高（图2）。表明单斜辉石岩的δ66Zn值与Rb/La、K/U、Ba/Th和Th/Nb比值的相关性是由后期含水熔体交代作用引起的。而单斜辉石岩整体具有相对均一的δ56Fe值(-0.05‰~0.07‰；除一个异常值-0.28‰)，表明后期沉积物熔体交代对Fe同位素组成影响有限。其中特殊的“玻璃质”包体(DMP528)，具有与寄主玄武岩完全不同的主、微量元素组成，单斜辉石岩的Zn同位素演化趋势方向朝着DMP528成分（图2）。利用两端元混合模拟表明单斜辉石岩经历后期熔体交代程度为0~70%，然而，后期交代介质需要更高的K2O、Rb、Zn含量和高的δ66Zn值来重现单斜辉石岩的Zn同位素变化趋势。因此，“玻璃质”包体可能代表岩石圈地幔中保存好的单斜辉石岩后期交代介质，但经历过轻微改造。“玻璃质”包体具有明显偏重的Zn同位素组成(0.43‰)以及偏高的MgO含量(21.29 wt.%)，表明岩石形成过程中具有高Mg沉积碳酸盐岩的加入。另外，样品DMP528的143Nd/144Nd比值(0.510991)明显低于蚀变洋壳和海水，表明样品具有大陆上地壳来源的碎屑沉积物的成分加入。综上所述，DMP528代表来自俯冲板片沉积碳酸盐岩和具有大陆上地壳成分的碎屑沉积物熔融形成的固化的沉积物熔体。
图2. 单斜辉石岩和“玻璃质”样品的δ66Zn与Rb/La (a)、K/U (b)、Ba/Th (c)、Th/Nb (d)比值变化图。曲线代表两端元混合模拟结果。相比DMP528，假定的交代熔体具有更高的K2O (2.8 wt.%)，Rb (90 ppm)，Zn (240 ppm)含量和δ66Zn值(0.56‰)
陆源碎屑和碳酸盐岩等沉积物的俯冲可将地壳物质并入上覆板片的岩石圈地幔或更深的地幔部分。越来越多的证据间接表明大洋玄武岩、板内玄武岩和地幔来源的捕虏体的化学和同位素组成记录了受沉积物影响的地幔源区的特征。然而，很少发现具有再循环大陆上地壳地球化学特征的地幔岩石。本研究中未交代或轻微交代的单斜辉石岩富集的Sr同位素组成（高达0.73326）和类似大陆上地壳的微量元素特征表明其地幔源区具有古老大陆上地壳成分的加入。此外，单斜辉石岩后期交代介质—样品DMP528，代表沉积碳酸盐岩和具有大陆上地壳成分的碎屑沉积物熔融形成的固化的沉积物熔体，后期与单斜辉石岩发生不同程度交代作用。这些研究提供的证据表明，通过板片俯冲作用，再循环的碳酸盐和大陆上地壳成分可能以沉积物熔体的形式并入岩石圈地幔，尽管再循环上地壳特征可能被周围地幔显著稀释，但在壳-幔边界和上地幔中仍可能存在少量的大陆上地壳成分信息。另外，来自俯冲带单斜辉石岩和“玻璃质”包体的化学和同位素组成表明“玻璃质”包体可能代表了保存下来的沉积物熔体，具有再循环的大陆上地壳和沉积碳酸盐岩的信息，为岩石圈地幔中板片来源的含碳酸盐沉积物熔体的活动提供最直接的证据。同时表明Zn同位素可很好的用于示踪岩石圈地幔中含碳酸盐沉积物熔体活动以及深部碳循环过程。
论文第一作者为广州海洋地质调查局实验测试所张岗岚博士。通讯作者为中国地质大学（武汉）刘勇胜教授。合作者包括徐荣副研究员，Frédéric Moynier教授，李明高级工程师和朱扬涛、任欢歌、姜昕。本文受国家重点研发计划项目（2019YFA0708400）、国家自然科学基金项目（41530211）和地质过程与矿产资源国家重点实验室科技部专项经费（MSFGPMR01）联合资助。
文章信息：Zhang, G., Liu, Y.*, Xu, R., Moynier, F., Zhu, Y., Ren, H., Jiang, X., & Li, M. (2023). Tracing Sediment Melt Activity in the Sub-Continental Lithosphere: Insights from Zn-Fe Stable Isotopes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128(4), e2022JB026083. https://doi.org/10.1029/2022JB026083
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