中科院海洋所深海中心孫衛(wèi)東研究團(tuán)隊(duì)與張國(guó)良研究團(tuán)隊(duì)合作，系統(tǒng)分析了來(lái)自大洋鉆探329航次U1365和U1368鉆孔的洋殼玄武巖和典型的大洋俯沖帶榴輝巖的鉀（K）同位素組成特征，研究結(jié)果有效地約束了低溫洋殼蝕變過(guò)程中的K同位素地球化學(xué)行為，并揭示了其對(duì)俯沖帶和全球K元素循環(huán)的影響。相關(guān)成果近日發(fā)表在Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。
該成果的研究樣品包含蝕變洋殼玄武巖和大洋俯沖帶高壓變質(zhì)巖。其中，洋殼玄武巖樣品代表了洋殼最上層，經(jīng)歷了不同類型和不同強(qiáng)度低溫蝕變的玄武巖，榴輝巖為經(jīng)歷了洋殼低溫蝕變和高溫變質(zhì)脫水過(guò)程的高壓變質(zhì)巖，是研究低溫蝕變過(guò)程中K同位素地球化學(xué)行為和俯沖過(guò)程K同位素地球化學(xué)的理想樣品。研究結(jié)果顯示，與未蝕變玄武巖相比，研究的蝕變玄武巖樣品 41K值具有大的變化范圍(-0.76‰ ~ -0.17‰)，表明低溫洋殼蝕變過(guò)程中可以產(chǎn)生顯著的K同位素分餾。樣品鉀同位素組成與蝕變類型及蝕變指標(biāo)無(wú)明顯相關(guān)性。結(jié)合已發(fā)表數(shù)據(jù)，本研究認(rèn)為在形成蝕變礦物的過(guò)程中，海水與蝕變礦物之間的平衡以及動(dòng)力學(xué)分餾作用是造成低溫蝕變洋殼K同位素特征的原因。本項(xiàng)目模擬了海水分離進(jìn)入基底流體的過(guò)程，結(jié)果顯示不同分餾系數(shù)和分離程度可以獲得不同鉆孔的K同位素特征。研究獲得了低溫蝕變洋殼的參考值 41K為-0.40 0.33‰ (2sd)，該參考值與新鮮洋中脊玄武巖類似，但明顯低于海水的K同位素組成( 41K = +0.12 0.07‰, 2sd)。因此，本研究證明了低溫洋殼蝕變過(guò)程是形成海水重K同位素組成的重要原因。
循環(huán)海水中沉積的K的同位素組成與玄武巖吸收K的比例關(guān)系圖
在俯沖帶，蝕變洋殼將發(fā)生變質(zhì)脫水，并俯沖進(jìn)入深部地幔，這些過(guò)程將會(huì)對(duì)全球K元素循環(huán)產(chǎn)生哪些影響呢？深俯沖的地殼物質(zhì)又會(huì)如何影響深部地幔的組成呢？帶著以上問(wèn)題，科研人員進(jìn)一步研究了大洋俯沖帶榴輝巖，結(jié)果顯示原巖為蝕變洋殼的榴輝巖具有低的K含量(415-9132 g/g）和輕的K同位素組成（ 41K值-1.64 to -0.24‰），同時(shí)榴輝巖樣品 41K值與K2O含量和K/Nb比值具有較好的相關(guān)性。K和鈮（Nb）不相容程度類似，但相比于Nb，K具有更強(qiáng)的流體活動(dòng)性，K/Nb比值的降低代表了俯沖變質(zhì)脫水過(guò)程中K的丟失。因此， 41K值與K2O和K/Nb的相關(guān)性表明榴輝巖輕的K同位素組成可能是由變質(zhì)脫水過(guò)程導(dǎo)致的。通過(guò)瑞利分餾模型進(jìn)行了變質(zhì)脫水過(guò)程中K同位素行為的模擬。模擬結(jié)果顯示，不同程度蝕變的洋殼經(jīng)歷不同程度的脫水，不僅可以形成榴輝巖輕的K同位素特征，而且可以形成榴輝巖 41K與K2O之間的相關(guān)性，進(jìn)一步證明了以上結(jié)論。
松多榴輝巖K同位素組成與K2O (wt%)和K/Nb的相關(guān)性及蝕變洋殼俯沖變質(zhì)脫水過(guò)程中的瑞利分餾模擬
通過(guò)以上研究證明，低溫洋殼蝕變過(guò)程是形成海水重K同位素重要成因；蝕變洋殼在俯沖變質(zhì)過(guò)程中，具有輕K同位素組成的物質(zhì)可以進(jìn)入深部地幔，形成具有不同于虧損地幔K同位素組成的地幔端元，同時(shí)變質(zhì)流體可以促使地幔楔熔融形成具有重K同位素組成的島弧巖石。
K同位素地球化學(xué)行為示意圖
（1）低溫洋殼蝕變過(guò)程，（2）高溫洋殼蝕變過(guò)程，（3）變質(zhì)脫水過(guò)程，（4）洋殼物質(zhì)深俯沖，（5）洋島玄武巖的形成
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目和博士后基金聯(lián)合資助。論文第一作者為深海中心博士后劉海洋，通訊作者為劉海洋、孫衛(wèi)東、王昆。海洋所深海中心張國(guó)良、薛穎瑜，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)肖益林，圣路易斯華盛頓大學(xué)田禎、Brenna Tuller-Ross共同參與了此項(xiàng)研究。
相關(guān)成果論文題目及發(fā)表鏈接如下：
(1) Liu Haiyang., Wang Kun., Sun Wei-Dong., Xiao Yilin., Xue Ying-Yu. and Tuller-Ross B. 2020. Extremely light K in subducted low-T altered oceanic crust: Implications for K recycling in subduction zone. Geochimica et Cosmochimica Acta 277, 206-223. http://doi.org/10.1016/j.gca.2020.03.025
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703720301964
(2) Liu Haiyang., Xue Ying-Yu., Zhang Guoliang., Sun Wei-Dong., Tian Zhen., Tuller-Ross B. and Wang Kun. (2021) Potassium isotopic composition of low-temperature altered oceanic crust and its impact on the global K cycle. Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.08.001
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721004671
