中國科大揭示島弧重鎂同位素成因與俯沖帶水循環(huán)之謎

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授課題組利用第一性原理計(jì)算方法，對(duì)俯沖大洋板片脫水過程中的鎂同位素分餾機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)俯沖大洋板片脫水可以解釋不同俯沖帶地區(qū)島弧巖漿的鎂同位素組成特征，為理解俯沖帶的溫度結(jié)構(gòu)以及深部水循環(huán)提供了新的認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究成果以“Heavy magnesium isotopic signatures in arc lavas may be attributed to dehydration of subducting hydrated mantle”為題，發(fā)表在地球科學(xué)領(lǐng)域國際知名學(xué)術(shù)期刊Communications Earth & Environment上。

大洋板片包括巖石圈地幔、洋殼以及上覆沉積物三層。在俯沖帶，俯沖大洋板片可以攜帶大量水進(jìn)入地球內(nèi)部。隨著深度的增加，溫度和壓強(qiáng)逐漸升高，俯沖板片可能發(fā)生脫水，并釋放流體進(jìn)入上覆地幔楔。這些流體可以改變地幔楔的物質(zhì)組成，降低巖石的熔點(diǎn)，從而引發(fā)部分熔融，形成島弧巖漿。了解俯沖板片釋放流體的性質(zhì)對(duì)于理解地幔的不均一性、島弧巖漿組成以及深部水循環(huán)都具有重要意義。

鎂(Mg) 是地球基本組成元素之一，在地幔橄欖巖中含量很高，在洋殼中含量較低，且具有較強(qiáng)的流體活動(dòng)性。因此，鎂同位素可用于示蹤俯沖大洋地幔釋放的流體，為研究俯沖帶深部水循環(huán)提供了一種有效研究手段。然而，俯沖板片內(nèi)含水地幔橄欖巖脫水過程中的鎂同位素分餾機(jī)制尚不清楚。

研究團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算確定了流體與含水礦物以及地幔硅酸鹽礦物間的鎂同位素平衡分餾系數(shù)。結(jié)果顯示，含水地幔橄欖巖脫水過程中釋放的流體相較于地幔硅酸鹽礦物富集重鎂同位素。這些高鎂含量且富集重鎂同位素的流體進(jìn)入地幔楔導(dǎo)致在多個(gè)俯沖帶觀測(cè)到的島弧巖漿重鎂同位素異常。進(jìn)一步研究表明，不同俯沖帶地區(qū)島弧巖漿中鎂同位素組成的變化可能與其下俯沖板片中脫水機(jī)制有關(guān)，而脫水機(jī)制又受各自俯沖帶溫度結(jié)構(gòu)的控制。因此，鎂同位素可以作為識(shí)別來自俯沖大洋地幔的流體的有效示蹤劑，并為探索各種俯沖帶的溫度結(jié)構(gòu)提供了一種新的工具。

(a) 地幔含水礦物的相圖，點(diǎn)表示不同俯沖帶地區(qū)島弧下方俯沖板片莫霍面的溫壓條件；(b) 不同俯沖帶地區(qū)島弧巖漿的鎂同位素組成特征；(c-d) 俯沖大洋地幔脫水釋放流體可以產(chǎn)生島弧巖漿重鎂同位素異常。