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近日校地球和空間科學學鄭永飛院士團隊陳伊翔特任教授在俯沖帶深部流體中Fe的遷移行爲和氧化還原性質方面取得重要進展,相關工作已發表在地球化學領域頂尖期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。論文第一作者为陳伊翔特任教授,陳伊翔和中国地质大学(北京)何永勝副教授爲該文章的共同通訊作者

板塊構造和俯沖帶的存在是地球區別于太陽系內其它固態行星的重要標志之一。俯沖帶是連接地球表生圈層和深部圈層的關鍵紐帶。俯沖帶中發生的流體活動及相應的地球化學分異和物質傳輸對理解島弧火山作用、地幔不均一性以及地球殼幔系統的長期化學演化等諸多關鍵科學問題都具有重要意義。氧化還原敏感元素(FeCS)在俯沖板片和地幔楔之間的化學傳輸極大改變地幔楔和弧岩漿的氧化還原狀態,進而影響俯沖帶金屬元素的遷移富集和成礦作用,因而是國際學術界研究的熱點和前沿。然而,由于地質流體的複雜性,目前對Fe在俯沖帶中的運移方式和俯沖帶流體的氧化還原狀態的認識仍極其有限。

針對這個問題,該團隊選取了意大利西阿爾卑斯造山帶Dora-Maira地體的白片岩進行研究。在這些岩石中,人類最早發現柯石英這種指示超高壓變質礦物揭開了大陸深俯沖和超高壓變質作用研究的序幕,並極大推動了大陸動力學的發展。因此,這些岩石受到了國際學術界廣泛關注。該團隊的前期工作结合MgO同位素以及锆石微區分析,查明了白片岩的原岩爲變花崗岩,厘清了35年以來關于其原岩性質的爭議,同時發現了白片岩具有全球高溫岩石中最重的Mg同位素組成(δ26Mg高達0.75‰)率先揭示了俯沖帶地幔楔富滑石蛇紋岩脫水反向交代深俯沖陸殼的獨特地質現象,建立了利用Mg同位素示蹤俯沖帶蛇紋岩來源流體活動的新思路。這些成果已分別于20162017年發表在地球科學頂級期刊(Earth and Planetary Science Letters 456, 157-167; Chemical Geology 467, 177-195)

近期該團隊針對白片岩Fe同位素分析結果揭示,其具有全球高溫岩石中最重的Fe同位素組成56Fe高達1.22‰)。其Fe同位素組成明显不符合火成岩的岩浆演化趋势,指示了俯沖带流體交代过程的影响(1)。全岩FeOt含量和Fe3+/∑Fe數據指示,交代過程中原岩變花崗岩總Fe含量和Fe3+/∑Fe比值都顯著降低,但Fe同位素組成显著变重(1)

圖1西阿尔卑斯造山带白片岩(红色)和变花岗岩(蓝色)Fe同位素組成与全岩Fe含量之间的关系

Fe同位素結果指示在流體交代過程中Fe的活動以Fe2+爲主,同位素分餾模擬揭示其種型主要爲Fe(II)-ClFe(II)-(HS)絡合物。這些結果表明俯沖帶深部流體局部應爲高鹽度、HS-存在的还原性流體,与前人的岩石学观察一致。这与前人普遍认为的俯沖带深部流體具有高氧化性特征显著不同。該團隊根據西阿爾卑斯造山帶的構造演化特征,進一步提出了大陸俯沖隧道中俯沖板片-地幔楔界面流體交代過程中Fe遷移的構造模型(2)。總之,這項成果提供了利用Fe同位素示踪俯沖带深部流體性质的新思路和典型案例,揭示了俯沖带深部局部相对还原性流體的存在,对理解弧岩浆和地幔楔的氧化还原状态和Fe同位素體系都具有重要意義。

圖2俯沖带深部流體运移过程中Fe活动性示意圖

审稿人对该研究成果给予了高度评价,认为:“总之,我认为这项工作是研究俯沖过程中地质储库之间氧化还原能力交换的一个里程碑”(Overall, I think this manuscript provides another milestone in the way to understand exchange of oxidising potential among geological reservoirs during subduction processes);“作者详尽的研究为俯沖带交代作用提供了独特视角”(The authors demonstrate a comprehensive study that provides a unique perspective of subduction fluid metasomatism processes)

該系列工作得到國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項、國家科技部973計劃、國家自然科學基金委、中科院青年創新促進會和中央高校業務基金的資助。

論文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703719305964


(地球和空間科學學院、科研部)


     
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