引用本文
牛耀龄, 龚红梅, 王晓红, 肖媛媛, 郭鹏远, 邵凤丽, 孙普, 陈硕, 段梦, 孔娟娟, 王国栋, 薛琦琪, 高雅洁, 洪迪. 用非传统稳定同位素探索全球大洋玄武岩、深海橄榄岩成因和地球动力学的几个重要问题, 地球科学进展. 2017, 32(2): 111-127
Niu Yaoling, Gong Hongmei, Wang Xiaohong, Xiao Yuanyuan, Guo Pengyuan, Shao Fengli, Sun Pu, Chen Shuo, Duan Meng, Kong Juanjuan, Wang Guodong, Xue Qiqi, Gao Yajie, Hong Di. Some Key Problems on the Petrogenesis of Seafloor Basalts, Abyssal Peridotites and Geodynamics—A Non-traditional Isotope Approach. Advances in Earth Science, 2017, 32(2): 111-127  
Doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2017.02.0111
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Copyright©2017, 地球科学进展 编辑部
用非传统稳定同位素探索全球大洋玄武岩、深海橄榄岩成因和地球动力学的几个重要问题
牛耀龄1,2,3, 龚红梅1,2, 王晓红1,2, 肖媛媛1,2, 郭鹏远1,2, 邵凤丽1,2,4, 孙普1,2,4, 陈硕1,2,4, 段梦1,2,5, 孔娟娟1,2,4, 王国栋1,2, 薛琦琪1,2,5, 高雅洁1,2,4, 洪迪1,2,4
1.中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071
2.青岛海洋科学与技术国家实验室,山东 青岛 266061
3.Department of Earth Sciences, Durham University, Durham DH1 3LE, UK
4.中国科学院大学,北京 100049
5.中国地质大学,北京 100083

作者简介:牛耀龄(1959-),男,甘肃临洮人,教授,主要从事岩石学、地球化学、全球构造与地球化学动力学研究.E-mail:yaoling.niu@durham.ac.uk

基金:国家自然科学基金重点项目“用非传统稳定同位素探索全球大洋玄武岩、深海橄榄岩成因和地球动力学的几个重要问题”(编号:41630968)资助
摘要

2017年中国科学院海洋研究所“大洋岩石圈与地幔动力学实验室”建成。未来5年,该实验室在国家自然科学基金重点项目(编号:41630968)的资助下,用珍贵的太平洋、大西洋和印度洋洋中脊玄武岩(MORB)、辉长岩和深海橄榄岩(MORP)研究地球化学和地幔动力学的几个基本科学问题: ①用Ti-Zr-Hf稳定同位素验证“Nb-Ta和Zr-Hf元素对质量分异的假说”;②从MORB演化过程和地幔熔融过程检验目前对铁同位素分馏的基本假说,即重Fe同位素与Fe3+有亲和性,且比轻Fe同位素和Fe2+更不相容;③提出并试图检验地幔高氧逸度是板块构造的结果,即含有大量Fe3+的蛇纹石化大洋岩石圈地幔橄榄岩俯冲到深部地幔所致;④对代表性的MORB样品和中国东部新生代碱性玄武岩样品进行铀同位素研究,检验Andersen等(2015)有关地球演化过程中壳幔循环导致的内、外动力地质过程的相互关系。

关键词: 大洋玄武岩; 深海橄榄岩; 壳幔循环; 地幔动力学; 非传统稳定同位素
中图分类号:P541 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2017)02-0111-17
Some Key Problems on the Petrogenesis of Seafloor Basalts, Abyssal Peridotites and Geodynamics—A Non-traditional Isotope Approach
Niu Yaoling1,2,3, Gong Hongmei1,2, Wang Xiaohong1,2, Xiao Yuanyuan1,2, Guo Pengyuan1,2, Shao Fengli1,2,4, Sun Pu1,2,4, Chen Shuo1,2,4, Duan Meng1,2,5, Kong Juanjuan1,2,4, Wang Guodong1,2, Xue Qiqi1,2,5, Gao Yajie1,2,4, Hong Di1,2,4
1.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
2.Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061,China
3.Department of Earth Sciences, Durham University, Durham DH1 3LE,UK
4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
5.China University of Geosciences, Beijing 100083, China

First author:Niu Yaoling(1959-), male, Lintao County, Gansu Province, Porfessor. Research areas include petrology, geochemistry, global tectonics and chemical geodynamics.E-mail:yaoling.niu@durham.ac.uk

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China “Some key problems on the petrogenesis of seafloor basalts, abyssal peridotites and geodynamics—A non-traditional isotope approach” (No.41630968)
Abstract

This paper discusses some major research to be carried out in the next five years in the newly established Laboratory of Ocean Lithosphere and Mantle Geodynamics. By using our existing sample collections of global mid-ocean ridge basalts, gabbros and abyssal peridotites from the Pacific, Atlantic and Indian oceans, the research includes: ①Using Ti-Zr-Hf stable isotope methods to test the hypothesis that the observed huge Nb-Ta and Zr-Hf fractionations result from mass-dependent fractionation under mantle magmatic conditions; ②Using a MORB sample suite of uniform ratios of incompatible elements and Sr-Nd-Pb isotopes with large major element compositional variation to test the common hypothesis of iron isotope fractionation, i.e, the affinity of heavy Fe with ferric Fe (Fe3+), and both heavy Fe and ferric Fe (Fe3+) being more incompatible than light Fe and ferrous Fe (Fe2+) during magma evolution; while using an incompatible trace element and Sr-Nd-Pb isotope highly variable MORB suite to test the same hypothesis during low-degree mantle melting ( i.e, the effect of mantle metasomatism); ③Proposing and testing the hypothesis that the high oxygen fugacity of the Earth’s mantle is a consequence of plate tectonics by subducting partially serpentinized oceanic mantle lithosphere with abundant ferric Fe ( e.g. Fe3+/SFe>2); ④The recent work by Andersen et al. ( Nature, 2015) is a milestone contribution by using U isotope variation in oceanic basalts to hypothesize that the O2-rich atmosphere since the late Archean (abont 2.4 Ga) mobilized the water soluble U (6+ vs. 4+) from continents, transported to the ocean and subducted with sediments to the upper mantle, which explains the low Th/U in MORB (<2.5) and the high Th/U (>3.5) ocean island basalts (OIB) do not see such U addition effect probably because OIB source materials are all ancient (> abont 2.4 Ga) if there were subducted component. The Cenozoic alkali basalts from eastern China are ideal materials for evaluating the significance of the subducted seafloor materials for the petrogenesis of OIB and enriched MORB by using the U isotope approach, which is expected to revise and improve the Andersen et al hypothesis.

Keyword: Seafloor basalt; Abyssal peridotite; Crust-mantle recycling; Mantle geodynamics; Non-traditional stable isotopes.
1 引言

近年来, 用非传统稳定同位素(如Li, Mg, Si, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Zr, Mo, Ba, Hf, Tl, Ce, U)探讨地质和地球化学过程的研究愈加备受关注, 并进而用来“ 示踪” 岩石的原岩(变质岩)、源区(岩浆岩)及其地质背景, 力图更合理地解释各种岩石在不同环境下的形成过程和演化历史。客观地讲, 在未真正理解这些同位素分馏机理之前, 我们还无法准确示踪。目前仍处于观察和数据积累阶段, 当有足够的数据, 并从中找到规律后, 才有可能真正理解这些同位素的分馏机理, 才有可能示踪。尽管如此, 从近年来的一些研究进展着眼, 会有突破性进展。本项目的非传统同位素研究不是随波逐流, 而是用全球最简单的岩石作为研究对象, 通过检验几个重要假说来探讨Fe, Ti, Zr, Hf, U等稳定同位素的可能分馏机理。这些岩石样品是牛耀龄过去20多年积累的全球(太平洋、大西洋、印度洋)洋脊玄武岩(MORB)、辉长岩和深海橄榄岩(MORP)。这些岩石之所以简单, 原因是:①它们是现代已知地质环境和过程形成的岩石; ②其矿物学和地球化学组成相对简单; ③对其成因认识比较成熟, 因此大大减少了未知干扰, 便于有效揭示这些同位素的可能分馏机理, 从而有助于达到未来“ 示踪” 的目的。

我们将在中国科学院海洋研究所新建的“ 大洋岩石圈与地幔动力学” 实验室研究这些样品, 深入探讨地球化学和地幔动力学的几个基本科学问题:①用Ti-Zr-Hf稳定同位素验证“ Nb-Ta, Zr-Hf元素对质量分异的假说” ; ②从MORB演化过程和地幔熔融过程检验目前有关Fe同位素分馏的基本假说, 即重Fe同位素与高价Fe3+有亲和性, 且比轻Fe同位素和低价Fe2+更不相容; ③提出并试图检验地幔高氧化状态是板块构造的结果, 即含有大量Fe3+的蛇纹石化大洋岩石圈地幔橄榄岩俯冲到深部地幔所致; ④Andersen等[1]用大洋玄武岩U同位素变化探讨了在地球演化过程中内动力与外动力过程的相互关系, 具有里程碑意义(牛耀龄参加了这项工作), 因其主要结论意义深远, 必须用更具有代表性的MORB样品验证, 并用U同位素研究中国东部新生代碱性玄武岩(最理想岩石), 修正、改进、完善Andersen等的假说。

2 用Ti-Zr-Hf同位素检验Nb-Ta和Zr-Hf 2个元素对质量分异的假说

现代地球化学之父, Victor Moritz Goldschmidt[2], 发现在岩石、矿物形成过程中化学元素的行为主要取决于它们的离子半径和化合价[3]。最典型的例子是Zr-Hf 和 Nb-Ta这2个元素对。在地质过程中, 这2对元素各自有相同的化合价(如Zr4+和Hf4+, Nb5+和Ta5+), 且在给定配位数下有相同的离子半径(如当配位数CN为6时, RZr=0.72Å , RHf=0.71Å , RNb= 0.64Å , RTa=0.64Å )[4]。因此, 所有地幔和幔源岩石中Zr/Hf和Nb/Ta值应该与球粒陨石(假定代表地球及太阳系的组成)一致:即Zr/Hf≈ 36.30, Nb/Ta≈ 17.6[5, 6], 这一观点被广泛认同, 尽管人们已注意到Zr/Hf在一些碱性玄武岩中高于球粒陨石值[7], Nb/Ta在陆壳中低于球粒陨石(11~12)[8]。

牛耀龄及其合作者[9, 10]最早用ICP-MS分析技术研究了东太平洋洋隆玄武岩和邻近海山玄武岩(MORB), 发现这些岩石中Zr/Hf(25~50)和Nb/Ta(9~19)比值并非常数, 而是有2倍的变化, 且二者相关(图1a)。此外, 牛耀龄[11]发现在全球深海橄榄岩(MORP)中Zr/Hf(2.4~336)和Nb/Ta(0.8~200)值有2个数量级的变化, 而且二者也相关(图1b)。MORP是洋脊之下地幔部分熔融形成MORB的残余。这些观察和认识是对经典理论颠覆性的挑战, 亦即, 被广泛接受的经典Goldschmidt理论无法解释MORB和MORP中Nb-Ta及Zr-Hf的这种分异现象和分异幅度[12]。

Nb, Ta, Zr和Hf被称为“ 不相容” 元素, 因为它们在地幔熔融或岩浆结晶过程中选择进入熔体相。这是由总分配系数这个参数定义的: DMSolid/Melt= CMSolid/ CMMelt, 它是平衡条件下元素M在固相矿物和熔体中的浓度比。若该值小于1, M为不相容元素。显然, 若 DASolid/Melt< DBSolid/Melt, 那么元素A比B更不相容。

如图2所示, 在MORB中Zr比Hf更不相容(即DZr< DHf), Nb比Ta更不相容(即DNb< DTa)[9, 10]。很重要的是, MORB中Zr/Hf和Nb/Ta值与La/Sm, Sm/Yb, 87Sr/86Sr, 143Nd/144Nd等相关性极好[12], 进一步证明DZr< DHf和DNb< DTa。这一出乎意料的结果颠覆了传统认识。我们力图用非传统的思路和方法客观认识这些发现的本质。

图1 东太平洋洋隆海山玄武岩(a)[10]和深海橄榄岩(b)[11]展示大幅度Zr/Hf和Nb/Ta的相关分异
灰色条带为球粒陨石推荐值[6]Fig.1 Large correlated variations of Zr/Hf and Nb/Ta ratios in seamount lavas near the East PacificRise (a)[10] and abyssal peridotites (b)[11]
Grey bands are Chondrite values[6]

图2 东太平洋洋隆近脊海山玄武岩展示Zr比Hf更不相容, Nb比Ta更不相容[12]Fig.2 Near East Pacific Rise samount lavas show Zr and Nb are respectively more incompatible than Hf and Ta[12]

2.1 国内外研究现状

自牛耀龄等[9~11]的早期发现, Zr-Hf和Nb-Ta的分异备受关注。目前在固体地球化学研究中, 人们假设整体地球具有球粒陨石的Nb/Ta值为17.6(或Nb/Ta约为19)[6, 12]。基于这个假设, 推测在地幔深处一定存在一个高于球粒陨石Nb/Ta值的储库来补偿平均陆壳[8]和洋壳[10, 13]中低于球粒陨石的Nb/Ta值(即Nb/Ta< 17.6), 但至今尚未采集到来自该高Nb/Ta储库的岩浆岩, 包括绝大多数被认为来自核幔边界的地幔柱玄武岩[14, 15]。Wade 等[16]建议, Nb(相对于Ta)更亲铁, 地壳岩石中缺失的Nb可能赋存在地核中[16, 17]。Green等[18]的实验表明, 玄武岩浆体系中单斜辉石和熔体之间DZr/DHf ≈ 0.5, DNb/DTa≈ 0.5, 这有助于解释MORB具有2倍的Zr/Hf和Nb/Ta值的变化(图1, 图2), 但不能解释MORP数据中2个数量级的变化(图1b)[11, 12]。最近有不少关于这些元素行为的实验数据[19~21], 但是所有这些研究都没能提出Zr-Hf和Nb-Ta元素对发生分异的有效机制[22~24]。

近些年, 洋岛玄武岩[25]、岛弧玄武岩[26]、地幔捕虏体[27, 28]、花岗岩[29, 30]、变质岩[31~34]以及太古宙TTG岩套[35]中均发现有Nb/Ta值的变化。最近, Firdaus等[36]报道太平洋水体中也有大幅度Nb/Ta值的变化[12]。所有这些都是非常重要的新观察, 但均未发现Nb/Ta和Zr/Hf的相关变化, 说明在这些成岩(包括和海水反应)过程中Nb-Ta的分异机理与大洋岩玄武岩和深海橄榄岩所代表的大规模地幔分异作用不同, 无规律可循, 在规模上和幅度上有限, 目前无法检验。牛耀龄等[9~12] 在全球MORB和MORP中找到了规律(图1中Zr/Hf-Nb/Ta的相关性及其与La/Sm, Sm/Yb, Sr-Nd-Pb同位素的相关性), 提出了可检验假说。

2.2 可检验假说

考虑到这2个元素对分别具有相同化合价(Nb和Ta是5+, Zr和Hf是4+)和离子半径(当配位数分别为CN=6, 7, 8, 12时, 半径比RNb/RTa=1.000, RZr/RHf=1.006~1.026), 但它们各自原子质量则有2倍的差别(即MZr/MHf=0.511, MNb/MTa=0.513), 所以我们预测在这些条件下元素的质量差别可能是造成这2对元素分异的决定因素。简单地讲, 2种化学性质相同的元素, 较轻的元素(如90-96Zr, 93Nb)比更重的元素(如174-180Hf, 181Ta)更不相容(图2[9, 10]), 说明质量差导致元素分异的可能控制作用。这种与质量有关的分异也可以解释为什么Cs1+的离子半径比Rb1+大10%, 但质量比为MRb/MCs =0.643, 所以DRb < DCs10。我们熟知, 扩散系数与质量有关, KA/KB=(MB/MA)1/2, 其中KA和KB分别代表质量为MA和MB元素的扩散系数[37, 11, 12]。在质量比约为2的情况下(比如MTa/MNb和MHf/MZr), 扩散系数KNb/KTa(或KZr/KHf)=1.414, 即在给定已知关键变量一致时(相同化合价、离子半径和配位数), 仅质量差引起的扩散系数就可以引起41.4%(或414‰ )的分异。因此, 牛耀龄等[9]最早提出地幔熔融过程中(高温条件下)元素间质量分异可能很重要, 较轻元素比较重元素扩散快、迁移快, 所以在地幔熔融过程中更易进入熔体, 更不相容[9]。

Zr-Hf和Nb-Ta约50%的质量差明显大于我们熟知的低温下低质量元素稳定同位素的分馏(如H, O, C, S等)。约 414‰ 的分异与我们所熟悉的千分之几到几十幅度的轻质量元素同位素分馏形成鲜明对比。例如18O和16O的分馏, K18O/K16O = (16/18)1/2 = 0.943, 只有57‰ (远小于414‰ )的分馏。如此明显的DZr/DHf< 1, DNb/DTa < 1(图2)一定是在高温岩浆条件下质量差造成的分馏所致? 牛耀龄等[9, 11, 12]最早提出假说:与传统的低温稳定轻同位素质量分馏(如H, O, C等)不同, 高质量同位素在地幔高温高压条件下一定会发生分馏。Nb-Ta和Zr-Hf元素对的分异, 应该是高温岩浆作用条件下质量分馏的结果。我们研究的核心之一是检验这一重要假说。

2.3 如何检验该假说

因为Nb和Ta, Zr和Hf毕竟是不同的元素, 其高温高质量分异的假说虽然很有说服力, 但尚不能排除某种或某些未知化学作用[12]。所以, 要真正检验岩浆作用条件下的质量分异, 必须用同位素来检验(排除可能的未知化学效应)。考虑到MORP展示Nb/Ta和Zr/Hf值2个数量级的巨大变化, 而且大都经过蛇纹石化, 我们选择对蛇纹石化不敏感的高场强元素Ti, Zr, Hf同位素来检验地幔岩浆条件下质量分馏的假说, 即用MC-ICP-MS对最佳MORP样品进行46, 47, 48, 49, 50Ti(较轻)、90, 91, 92, 94, 96Zr(较重)、174, 176, 177, 178, 179, 180Hf(很重)同位素分析[11, 12]。如果对每个元素同位素能可靠检测到千分之几的分馏, 就是成功。

2.4 研究现状

国内外用Ti-Zr-Hf稳定同位素的可能分馏来检验Nb-Ta和Zr-Hf元素对分馏的研究尚不存在, 是我们首次提出的可行性方案。因为对放射性成因Hf同位素(176Hf/177Hf)的诸多研究, Hf元素的分馏和Hf稳定同位素的测试技术完全成熟, 我们期待反复试验获得准确的相关比值。Ti在岩石中是主量元素, 分离提纯方法成熟并有重要成果[38, 39]。到目前为止, Zr同位素的研究主要集中在对陨石样品的研究, 对地质样品的研究不多, 但从岩石中分离、提纯并用MC-ICP-MS的测试技术方法已近成熟[40, 41], 我们计划在此基础上进一步简化分离纯化流程。

3 Fe同位素在地质过程中的分馏机制和地球动力学意义

铁(Fe)是个变价元素(Fe0, Fe2+, Fe3+), 在地质过程中以Fe2+和Fe3+为主。Fe有4个稳定同位素54Fe(5.84%), 56Fe(91.67%), 57Fe(2.12%), 58Fe(0.28%)。通常用样品中56Fe/54Fe和57Fe/54Fe与国际标准IRMM-014[42]的千分差来表示未知样品Fe同位素的变化, 即δ 56Fe和δ 57Fe(因为是简单的质量分馏关系, 二者意义相同)。自从Fe同位素在地质类样品能够精确分析以来[42~45], 已有500余篇关于Fe同位素的论文问世, 这包括分析方法改进、数据积累(如河水、海水、土壤、风化剖面、沉积岩、变质岩、花岗岩、大洋玄武岩、地幔包体橄榄岩、各种陨石等)、数据解释以及实验和理论模拟来探索导致Fe同位素分馏的机理等。目前对变价元素(如Fe)同位素分馏的解释为在晶体(或熔体、流体)中, 重同位素优选元素高价态(如Fe3+, 而不是Fe2+)为主的化学键[46, 47]。这意味着存在有“ 高δ 57Fe-Fe3+” 的亲和性, 并把高δ 57Fe与高氧逸度(fO2µ Fe3+/Fe2+ µ Fe3+/∑ Fe)联系起来。

Williams等[48]分析了采自不同构造背景各种橄榄岩(纯橄岩、二辉橄榄岩、方辉橄榄岩、石榴辉石岩等)中的尖晶石, 发现这些尖晶石展示δ 57Fe和Fe3+/∑ Fe(及计算出的fO2)以及Cr#(=Cr/[Cr+Al])呈很好的负相关, 认为δ 57Fe与地幔源区fO2有关, 也可能与部分熔融程度和熔体提取过程有关。从橄榄岩尖晶石的数据我们得出:Fe3+/∑ Fe µ Cr# µ fO2 µ 1/δ 57Fe。Teng等[49]观察到夏威夷Kilauea Iki固结“ 岩浆池” 样品δ 57Fe与全岩MgO呈极好的负相关, 随MgO从约 27wt%(wt%为重量百分含量)降低到约 2.5wt%, δ 56Fe 从约 -0.05 线性增长到约 0.2。这是个很重要的观察。MgO< 11wt% 的全岩样品解释为熔体, 而MgO> 11wt%的全岩样品是因含不同量橄榄石斑晶所致。这说明玄武岩浆结晶过程中熔体逐渐富集重铁(高δ 57Fe)而结晶相橄榄石则富集轻铁(低δ 57Fe)。因为在这些玄武岩样品中, Fe3+/∑ Fe和δ 57Fe均与MgO呈线性负相关, 表明随着岩浆中MgO逐渐降低, δ 56Fe和Fe3+/∑ Fe同步增加。因为一般认为Fe3+/∑ Fe指示岩浆体系的氧逸度fO2, 所以人们认为对变价元素Fe来说, 其同位素的分馏受控于fO2, 重铁(高δ 57Fe)“ 易于氧化” , 与高Fe3+/∑ Fe亲和, 倾向于高fO2状态, 反之亦然[48~52]。

图3清楚地展示了这个概念。显然, 在基性岩浆结晶分异过程中, 残余岩浆呈∑ Fe µ Fe3+/∑ Fe µ fO2 µ δ 57Fe[53~55]。以上分析和解释似乎简单, 但有2个基本概念需要厘清:

(1)在橄榄岩尖晶石中, Fe3+/∑ Fe µ fO2 µ 1/δ 57Fe而在演化的玄武岩浆中Fe3+/∑ Fe µ fO2 µ δ 57Fe(图3), 关系相反。现有基性— 超基性岩fO2计算的模型都直接或间接地用岩石或矿物中Fe3+/Fe2+的正相关关系[56]。尖晶石给出的fO2是基于Fe3+/∑ Fe, 然而尖晶石中Fe3+/∑ Fe µ Cr#µ 1/Mg#[57, 58], 与部分熔融(岩浆抽取亏损)程度有关(与Cr#成正比), 同时也受控于尖晶石结构以及组成的消长关系([Fe3+, Al3+, Cr3+]2[Fe2+, Mg2+]O4)。因此, 直接用尖晶石Fe3+/∑ Fe推算的fO2的确不可靠。值得注意的是, 尖晶石中δ 57Fe µ 1/Cr#, 说明熔融程度越高, 即Cr#越高, δ 57Fe越低, 熔融残余中Fe越轻, 重Fe选择性地进入熔体。

(2)如上, 人们习惯用岩石(或矿物)中的Fe3+/Fe2+值或Fe3+/∑ Fe来定性/定量地估算fO2, 这在图3很清楚, 这些作者把Fe3+/Fe2+和fO2等同起来。这里隐含一个普遍的误区:fO2的变化必须由氧化还原反应决定(即通过电子的得、失反应来实现)。在玄武岩浆演化过程中, 橄榄石和单斜辉石的结晶选择Fe2+, 导致残余岩浆中Fe3+增加, Fe3+/Fe2+上升, 但因没有电子的得、失, 没有氧化还原反应, 所以fO2是不变的。那么图3中δ 57Fe与Mg#的负相关关系, 不应该是受控于氧化还原反应, 而应该直接由熔体中的Fe3+的含量决定, 只是间接地与Fe3+/Fe2+有关而已。

图3 玄武岩浆演化过程中随Mg#减小, 全岩Fe, Fe3+/∑ Fe, fO2与δ 57Fe的协变关系(简化自参考文献[52])
绿色方块数据来自参考文献[49], 金黄色圆圈数据来自参考文献[52]Fig.3 Correlated variations of Fe, Fe3+/∑ Fe, fO2 and δ 57Fe in residual melts during basaltic magma evolution (simplified from reference[52])
Data are from reference[49] (green squares) and reference[52] (gold circles)

3.1 Fe同位素分馏的2个可检验性假说

从以上观察和讨论, 我们提出2个可检验的假说:

(1) 在地质过程中, 重铁(高δ 57Fe)与高氧化态的Fe3+有关(间接地与Fe3+/Fe2+和Fe3+/∑ Fe相关)。重铁Fe3+可以是继承的, 也可能是氧化还原反应产生的, 但氧化还原反应不一定是Fe同位素分馏的直接或唯一控制因素。

这一假说基于基本的化学原理和岩石学概念, 但与流行观点不同。所以检验这一假说极为紧迫, 证实和证伪都对真正理解Fe同位素分馏机理十分重要, 而且会对理解诸多地质过程提供全新思路。这一假说与花岗岩和陆壳富集重铁(δ 57Fe µ SiO2µ 1/MgO)的观察一致[59, 60], 尽管我们的解释与这些观点不同。检验这一假说还有助于重新审视我们对地球、月球和其他行星成因的主流观点[51, 61~63]。

(2) 在岩浆过程中Fe3+比Fe2+更不相容, 所以 “ 高δ 57Fe-Fe3+” 的亲和性意味着在岩浆作用过程中(部分熔融和结晶分异)重铁比轻铁更不相容, δ 57Fe和Fe3+在熔体中均高于与之平衡的固体相(熔融残余或堆晶、斑晶等)

Williams等[50]对一些新鲜榴辉岩的研究也支持这一假说。他们发现全岩δ 57Fe与δ 18O和Na2O正相关, 而与Cr2O3和Sc负相关, 合理排除地表风化等作用后, 认为最合理的解释是这些榴辉岩代表部分熔融残余, 在部分熔融过程中重铁(高δ 57Fe)和重氧(高δ 18O)选择进入熔体, 而轻铁(低δ 57Fe)和轻氧(低δ 18O)遗留在残余榴辉岩。这也意味着, 有些榴辉岩中低δ 18O不一定是原岩地表过程的产物, 而与部分熔融过程有关。地幔交代作用是挥发组分(如H2O, CO2)和不相容元素富集的低分熔(low-F)熔体在地幔(软流圈和岩石圈)条件下运移时对已有地幔岩的富集过程。因为推测的δ 57Fe和Fe3+的不相容性特征, 所以地幔交代岩和源区为交代岩的玄武岩, 应该有高的δ 57Fe和Fe3+。目前有限的研究似乎支持这一推测[64~67]。

3.2 用大洋玄武岩熔体(玻璃)检验这2个假说

现代大洋玄武岩玻璃(快速冷凝熔体)是地球上最简单的岩浆岩, 人们对其组成和成因的认识程度最高, 所以用它对非传统稳定同位素的系统研究有助于从根本上理解同位素分馏的原因和机制。Teng等[68]的研究有意义, 但国内外从全球角度系统研究MORB铁同位素分馏的工作很少。以上提出的分析、检验思路在国际上尚不存在。估计有以下3个原因:①对fO2 µ Fe3+/∑ Fe关系的“ 盲目” 接受阻碍了新发现和深刻认识; ②思路不够明确; ③缺乏理想样品。最近, Su等[69]和Chen等[70]报道了大洋岩石圈Fe-Mg同位素分馏变化的可喜成果, 但因用蛇绿岩套中的各种岩石(包括铬铁矿), 其结果虽有意义, 但不能检验以上假说。我们有理想的样品检验这些假说。

3.2.1 MORB结晶分异中Fe同位素的分馏:Fe3+含量控制还是氧化还原反应控制?

我们用东太平洋洋隆10° 30'N的新鲜MORB玻璃样品。这些样品研究程度高, 微量元素和Sr-Nd-Pb同位素均一, 反映地幔源区均一, 但结晶分异演化范围大(MgO 从约8.5%演化到约2%; 相应的SiO2从约51% 演化到63%, 而FeO从8.5%到17%)[71], 是研究结晶分异过程中Fe同位素分馏的最佳样品(图4)。这里FeO-MgO的趋势与图3所示相似, 但图3的样品中有大量橄榄石, 所以不清楚其δ 57Fe变化是橄榄石— 熔体混合还是演化熔体的Fe同位素分馏特征。如上所述, 在Ti-Fe氧化物结晶之前, 结晶分离的橄榄石和单斜辉石选择Fe2+, 所以一定引起熔体中Fe3+/Fe2+的递增, 即Fe3+表现为比Fe2+更不相容。但因没有电子得— 失的氧化还原反应, 所以fO2不会变。如果Fe同位素的分异受控于fO2, 那么就不会有δ 57Fe的规律性增长。如果δ 57Fe有规律地递增, 那么δ 57Fe与熔体中Fe3+的含量有关(间接地与Fe3+/Fe2+和Fe3+/∑ Fe相关), 而严格地讲不受控于fO2。Ti-Fe氧化物, 尤其是磁铁矿(F e23+O3· Fe2+O)中的Fe3+/Fe2+=2。如果磁铁矿结晶时(玄武— 安山质演化阶段), 熔体中Fe3+/Fe2+< < 2, 那么这会诱导因Fe3+的析出而增加熔体中的电子, 起到对熔体还原的作用。

这个氧化还原反应对Fe同位素分馏有影响吗?除了检验以上假说外, 图4中新鲜玻璃(无斑晶熔体)样品的研究还可用来检验几个相关假说:①在岩浆过程中Fe3+一定比Fe2+更不相容(?); ②Fe3+/Fe2+值一定随MgO的减小而递增直到MgO < 3%, 之后又迅速递减(?); ③δ 57Fe在这些样品中一定有变化, 而且与MgO, Fe3+/Fe2+, Fe, SiO2以及其他元素有相关性(?); ④虽然Si和Mg不是变价元素, 如此大的MgO和SiO2的变化(图5), 可能有Mg和Si同位素的分馏, 如果有, 那么与Fe同位素分馏有什么相关关系?

3.2.2 地幔源区交代作用中Fe同位素的分馏:因为 “ 高δ 57Fe-Fe3+” 亲和性, 重铁更不相容?

MORB起源于不相容元素和放射性同位素亏损的地幔(即, DMM), 因此绝大多数 正常N-型MORB具有亏损的特征(即[La/Sm]N< 1, [Sm/Yb]N< 1), 但全球有约20%的MORB属于富集型E-MORB(即[La/Sm]N> 1, [Sm/Yb]N> 1)。有些E-MORB与地幔柱有关(如大西洋中脊Iceland和Azores附近的E-MORB), 但大部分E-MORB在空间上和地幔柱没有直接关系[72], 尤其是沿快速扩张的东太平洋洋隆, N-MORB和E-MORB在时间和空间上共存, 反映源区物质组成在各种尺度上的不均一性[10, 73~75]。因为相对N-MORB, E-MORB(类似于洋岛玄武岩OIB)不仅富集不相容元素, 而且是越不相容的元素越富集, 所以对E-MORB最合理的解释是源区橄榄岩经历过富集熔体交代[73~79]。

图5展示东太平洋洋隆在11° 20'N的MORB以及5° ~15° N区段邻近海山MORB(N-MORB和E-MORB共存)主量元素、微量元素和同位素之间的相关关系[75]。图5中, 这些样品从左到右依次可定义为N-MORB, E-MORB和少量碱性玄武岩, 连续变化, 呈线性混合关系, 是不均一源区部分熔融时熔体混合所致(melting-induced mixing)[10, 72, 73, 75, 79]。亦即, 交代富集体熔点低, 地幔熔融时, 最易、最早进入熔体。所以, 对不均一地幔, E-MORB和碱性玄武岩(图5中右段的组成)反映:①较低部分熔融或②有更多交代富集体参与; 在喷出的玄武岩中无法判别①或②, 但毫无疑问, E-MORB有更多交代富集地幔组分。主量元素氧化物校正到Mg#=0.72说明图5中结晶分异的效应基本剔除, 此时所看到的主量元素变化是地幔部分熔融和源区特征。他们和不相容元素及同位素的相关关系同时反映了源区特征。亦即, 源区因交代作用越富集, 不相容元素(如Ba/Zr, [La/Sm]N和[Sm/Yb]N)比值越高, 87Sr/86Sr同位素越高(206Pb/204Pb越高、143Nd/144Nd越低), Fe72越低, Ca72越低、Al72越高。这种同位素、不相容元素和主量元素之间的相关关系是极为重要的发现[75]。

图4 东太平洋洋隆新鲜玄武岩玻璃(10° 30’N)FeO和SiO2 随MgO降低(冷却)的系统变化[71]Fig.4 Fresh MORB glasses from the East Pacific Rise (10° 30’N) show systematic FeO and SiO2variation during cooling dominated evolution[71]

图5 东太平洋洋隆新鲜玄武岩玻璃(11° 20’N, 空心符号)和近脊海山玻璃(实心符号)校正到Mg#=0.72时的主量元素含量、比值与Ba/Zr, [Sm/Yb]N, 87Sr/86Sr的系统变化[75]
N为样品数, 括弧里的值为相关系数, 在95%的自信度上均有意义Fig.5 Major element compositions of MORB glass samples from the East Pacific Rise at 11° 20’N (open symbols) and nearby seamounts (solid symbols) corrected to Mg#=0.72 show systematic variation against Ba/Zr, [Sm/Yb]N and 87Sr/86Sr[75]
N refers to number of samples, and values in parentheses are correlation coefficients significant at > 95% confidence level

系统分析这些样品Fe同位素可以直接、有效检验:①地幔交代作用是否确实伴随有Fe同位素分馏?②如果有, δ 57Fe和以上诸多交代作用参数是什么关系?③是否有δ 57Fe和Fe3+/∑ Fe的正相关关系?④图5中交代岩Fe含量低, 意味着地幔交代过程中Fe是比较相容的元素(与压力有关[80~82]), 那么“ 高δ 57Fe-Fe3+” 的亲和性仍然存在?重Fe和Fe3+是否在地幔熔融过程中都比较不相容(相对于轻Fe和Fe2+)?分析具有代表性MORB样品Fe同位素(以及用滴定法准确测定Fe3+/Fe2+)并寻找与以上交代作用参数的关系, 是对以上2个假说最有效、最直接和较易操作的检验。

最近Zhao等[66, 67, 83] 对华北克拉通交代地幔橄榄岩Fe同位素的研究很有意义。但地幔包裹体反映交代作用的局部重要性, 而玄武岩熔体则代表地幔源区交代作用的大规模效应, 尤其是新鲜MORB熔体, 直接源于地幔, 反映地幔过程; 从弱交代到强交代样品Fe同位素的变化有助于建立定量模型。

3.3 Fe同位素在MORP中的可能分馏和地球动力学意义

深海橄榄岩(MORP)是70%~100%蛇纹石化的大洋中脊地幔熔融残余[9, 11, 57, 58, 81, 84], 位于洋壳之下, 遍及整个大洋岩石圈。实际厚度从几公里到大于10 km[81, 85]。简单地估算[86], 如果平均蛇纹石化橄榄岩在大洋岩石圈的厚度保守估计为6 km, 假如板块构造约始于4.0 Ga, 那么俯冲到地幔的蛇纹石化橄榄岩占整个地幔质量的3wt%~4wt%, 或占下地幔的4%~5%。其意义在于给下地幔俯冲注入了大量由蛇纹石化产生的Fe3+, 意义重大(见下)。大洋中脊熔融地幔残余为方辉橄榄岩, 平均为约 72wt%橄榄石、约26wt%斜方辉石、少量单斜辉石和极少量(< 1.5wt%)的富铬尖晶石[81]。其全岩有0.1wt%~0.3wt% Fe2O3 (Fe3+/∑ Fe=1%~3%), 橄榄石中忽略不计, 斜方辉石极少, 微量的尖晶石中稍多[56]。

尽管新鲜橄榄岩Fe2O3极低(0.1wt%~0.3wt%), 但大洋岩石圈地幔的蛇纹石化是全球规模最大的Fe2O3生产源; 因为蛇纹石化是地质过程中极为重要的氧化还原反应, 有多个反应式, 但最简单的2个Fe-端元歧化反应(即部分铁氧化:Fe2+® Fe3+, 部分氢还原:2H+® H20­ )为:

CO2 absent: 6Fe2Si O4[faylite]+7H2O

® 3Fe3Si2O5(OH )4[serpentine]+Fe3 O4[magnetite]+H2 (1)

CO2 present:24Fe2SiO4+26H2O + CO2

® 12Fe3Si2O5 (OH)4+4Fe3O4+CH4 (2)

这2个反应均产出大量磁铁矿Fe3O4=F e2[3+]O3· Fe[2+]O, 且Fe3+/Fe2+=2或者Fe3+/∑ Fe= 2/3 = 67%。这个67% 的Fe3+/∑ Fe与新鲜橄榄岩比较增加了20~60倍。根据Evans等[87]研究, 实际蛇纹石化橄榄岩中Fe3+/Fe2+ > > 2。所以, 蛇纹石化橄榄岩中Fe3+/∑ Fe » 70%~80%。顺便提及, 有CO2存在时, 反应(2)不仅产生磁铁矿, 还产生甲烷(CH4)。俯冲大洋岩石圈有如此多的CH4在俯冲“ 脱水” 过程中对与俯冲有关的岩浆作用有重要意义[88]。这里最具有深远意义的是大洋岩石圈内具有如此之多Fe3+(Fe3+/∑ Fe 70%~80%)的蛇纹石化橄榄岩俯冲到地幔深处[Niu Y L. The oxidized Earth’ s mantle is a consequence of plate tectonics (近期投稿).], 这为我们理解地核的形成、地幔分异以及为什么地球的下地幔具有很高的氧化状态提供了全新的思路。

3.3.1 研究现状

Greenberger等[89]系统研究了蛇纹石化过程中Fe3+的产生机理, 但从全球系统研究MORP Fe同位素分馏的报道只有1篇[90]。这些作者认为MORP Fe同位素分馏不大, 接近球粒陨石Fe同位素组成, 但是:①他们有关Fe同位素的结论是平均值(如δ 56Fe = 0.017[mean]± 0.044[1σ ]; δ 57Fe = 0.026[mean]± 0.066[1σ ]), 没有讨论其变化范围(δ 56Fe =-0.094~0.108; δ 57Fe=-0.153~0.315); ②单个样品分析误差大; ③看不到与其他任何 “ 必须” 参数的相关关系(如参考文献[91]); ④样品仅限于极慢速扩张洋脊; ⑤没讨论δ 56Fe与Fe3+/∑ Fe的关系, 忽略了蛇纹石化过程是产生大量Fe3+的必然过程。此外, 我们提出确定MORP中δ 57Fe-Fe3+的可能关系, 并探讨地幔氧化状态的研究是我们的全新思路; 我们有全球样品[11], 还有探索Fe同位素分馏的新思路。

3.3.2 用MORP验证“ 高δ 57Fe-Fe3+” 的亲和性和地幔动力学

从地球的内部结构和组成我们知道今天的地幔处于相当氧化的状态[92], 这是因为地核的铁是Fe0, 但地幔有Fe2+和Fe3+, 而且地幔中含Fe2+和Fe3+的矿物决定了地幔的高fO2, 后者比相平衡计算的要高出几个数量级[93]。这意味着地核形成时地球内部应该是相对还原的, 而现今的高fO2是成核后某种或某些过程造成的, 探索这些过程是固体地球领域的重要问题之一[51]。目前流行的观点包括, 较晚挥发分富集陨石(高fO2)的撞击添加[94]或地球内部氧化还原反应, 如Si, C, H等溶解到地核等[97]。目前比较看好的假说是与地核分离同时的地幔歧化反应, 即在地球形成早期, 下地幔钙钛矿结构硅酸盐(perovskite)矿物结晶时Fe的歧化反应:Fe2+ ® Fe3+ (下地幔perovskite) + Fe0(进入地核), 因此导致地幔Fe3+/∑ Fe剧增[51, 56, 92]。

我们的全新假说是“ 俯冲大洋岩石圈内蛇纹石化橄榄岩是导致地幔高Fe3+/∑ Fe” 的重要因素之一[Niu Y L. The oxidized Earth’ s mantle is a consequence of plate tectonics (近期投稿).]。从以上MORP铁— 端元蛇纹石化的歧化反应, 我们可以肯定有大量Fe3+(主要以磁铁矿的形式, F e23+O3· Fe2+O, 其中Fe3+/Fe2+=2; 实际上> 2, 见上)的产出, 而且这些Fe3+会最终随大洋岩石圈俯冲携带到地幔深处, 特别是下地幔, 实现(至少部分实现)为什么地球的地幔具有高氧化状态。这一假说比其他任何“ 看不到, 摸不着” 的模型都有说服力, 甚至可以说不用怀疑。但我们必须通过Fe同位素是否有响应来进一步检验这一假说。我们分2步走:

(1) 验证“ 高δ 57Fe-Fe3+” 的亲和性, 即分析代表性MORP样品[11]的Fe同位素。对每一对应样品用滴定法测得准确Fe3+/Fe2+, 获得δ 57Fe与Fe3+/∑ Fe的亲和性相关关系。因为蛇纹石化橄榄岩中磁铁矿分子式规整, 所以, 高价铁Fe3+化学键与重铁(高δ 57Fe)的关系应该存在。如果我们验证“ 高δ 57Fe-Fe3+” 的亲和性, 那么俯冲到地幔深处的铁应该以重铁(δ 57Fe)为主。

(2) 如果我们假定俯冲过程对蛇纹石化橄榄岩中Fe的氧化状态影响可以忽略(以脱水为主), 那么俯冲到深部地幔的铁一定是以高δ 57Fe和高Fe3+为特征。这个推论合理, 但重要前提是在俯冲过程中Fe同位素必须分家。最近, Debret等[96]的发现很有意义“ Isotopic evidence for iron mobility during subduction” :在俯冲过程中, 蛇纹石化深海橄榄岩(MORP:俯冲板块岩石圈地幔)中轻铁(低δ 57Fe, δ 56Fe)会以Fe2+-S或Fe2+-Cl络合物活化进入地幔楔, 导致俯冲板块携带重铁(高δ 57Fe, δ 56Fe)进入深部地幔。我们可以用曾俯冲又折返的超高压(含金刚石)变质蛇纹石化橄榄岩(如参考文献[97])进一步检验Debret等[96]和Nebel等[98]的假说。

更重要的是研究深源玄武岩, 尤其是与地幔柱有关的苦橄岩, 应该具有俯冲再循环的岩石圈地幔橄榄岩组分[15, 76]。Teng等[68]的工作有意义, 他们发现与MORB和BABB相比, OIB铁同位素相似, 只是变化范围广, 但某些太平洋Tahiti OIB可有δ 56Fe高达0.185, δ 57Fe高达0.269, 很可能是再循环俯冲岩石圈地幔(曾发生蛇纹石化和俯冲带丢失轻铁)的印记。这项工作超出了本项目的时限和力度, 但我们要用俯冲折返的超高压变蛇纹岩、E-MORB、OIB和中国东部新生代碱性玄武岩尝试这个工作, 为下一步深入研究做铺垫。

4 U同位素在MORB和OIB源区的可能变化和地幔动力学意义

铀(U)有2个长半衰期的放射性同位素238U(99.27%, T1/2=~4.47 Gyrs)和235U(0.72%, T1/2=700 Ma)[99]。铀同位素分馏用δ 238U, 即238U/235U相对于国际标准物质CRM145的千分差来描述[1, 100]。由于二者质量差很小, 地质过程中质量分馏如存在的话也难以检测到。但因其在自然界有U6+和U4+ 2个氧化态, 在地表或近地表强氧化条件下U6+溶于水(或热液)而易于迁移, 但在还原或弱氧化条件下的U4+难溶于水(或热液)而不“ 活动” , 所以, 在高温岩浆过程中Th和U 2个元素行为接近, 难以分家, 但在地表或近地表条件下U以U6+的形式和Th可“ 分道扬镳” 。正因为如此, 幔源玄武岩岩浆中Th/U比值(232Th/238U, k)的变化被认为是源区物质曾经历过地表或近地表过程然后通过俯冲带进入地幔玄武岩源区所致[101]。比如, 相对于Th, 陆壳中的U以U6+的形式溶解于水, 由河水带入海洋, 进入蚀变洋壳和沉积物, 俯冲到地幔, 导致上地幔相对富集U, 从而降低Th/U值[1, 101]。和变价元素Fe同样的道理, 重铀同位素(238U)与高价铀(U6+)有关联, 所以有“ 高δ 238U-U6+” 的亲和性。

Andersen等[1] 发现(如图6所示)OIB的Th/U(约 3.48)和δ 238U(约 -0.308)接近平均地球(陨石)的Th/U(约 3.84)和δ 238U(约 -0.306), 而MORB有显著的低Th/U(约2.44)和高δ 238U(约-0.268)。根据以上原理, 这些作者认为, MORB之所以低Th/U是因为其上地幔源区有来源于陆源U6+, 由河流带入海洋, 再由蚀变洋壳俯冲带入上地幔MORB源区, 从而降低Th/U。因为“ 高δ 238U-U6+的亲和性” , 所以MORB具有低Th/U和高δ 238U的特征。这似乎与“ 标准” 的OIB模型相悖, 因为从δ 238U和Th/U的关系(图6), 看不到OIB源区有再循环的组分。有一种可能是, OIB源区的确有再循环的组分, 但从δ 238U和Th/U的关系看不出来是因为OIB再循环的组分相当古老, 远大于2.4 Ga, 因为地球早期的大气缺氧, 铀呈不溶于水的U4+。这个解释比较合理, 同时“ 高δ 238U-U6+的亲和性” 为我们提供了探究壳幔循环和地幔动力学的新思路, 也包括对Andersen等[1]解释的质疑。

图6 洋岛玄武岩(OIB)、洋脊玄武岩 (MORB)、岛弧玄武岩(Arc) U 同位素比较
(a)洋岛玄武岩(OIB)具有和地球平均值(Bulk-Earth)近似的Th/U和δ 238U, 但MORB的Th/U较低, 而δ 238U偏高, 落在地球平均值和平均蚀变洋壳(AOC)的混合线上。Mariana岛弧玄武岩呈现Th/U和δ 238U的正相关关系, 落在陆源沉积物(高Th/U和δ 238U)和蚀变洋壳表层的混合线上; (b)直方图显示MORB具有比地球平均值和OIB重的U同位素(高δ 238U)[1]; ‘ Upper’ 和‘ Average’ 分别指顶层和平均蚀变洋壳
U isotope comparison among ocean island basalts (OIB), ocean ridge basalts (MORB) and island arc basalts (Arc)
(a)ocean island basalts(OIB)and Bulk-Earth share similar Th/U and δ 238U, but MORB have lower Th/U, but higher δ 238U, plotting between the bulk-Earth and Altered Ocean Crust(AOC); The Mariana arc basalts show positive correlation between Th/U and δ 238U, lying on the mixing line between terrigenous sediments (high Th/U和δ 238U)and AOC.(b)The histogram shows MORB having higher δ 238U than bulk-Earth and OIB[1]. ‘ Upper’ and ‘ Average’ refer to upper portion and average AOC

4.1 研究现状

对于U同位素分馏238U-235U的研究已近30年历史[102~104]。近年来由于MC-ICP-MS分析测试技术的提高, 人们发现地表、近地表低温环境下238U-235U有重要分馏[105~108], 并成功用沉积物进行了古海水在地质历史中的可能变化, 和C-S等同位素一起讨论了大洋缺氧事件[109~117]。Andersen等[1]首次真正用来研究大洋幔源玄武岩中238U-235U的分馏和地球动力学问题。最近U4+-U6+之间在低温下U同位素的分馏实验研究为理解238U-235U在自然界的分馏提供了新思路[115, 116]。此外, 最近对27种陨石研究表明238U/235U变化很大(137.711~137.891, 约 1.3‰ ), 并非普遍认为的常数(137.88), 但这并不影响对地球岩石中238U-235U同位素分馏的解释, 因为平均地球玄武岩238U/235U=137.778~137.803, 仍然在“ 常数值137.88” 的分析误差之内[118]。

4.2 检验、完善Andersen等假说

Andersen等[1]的研究具有里程碑意义, 牛耀龄有幸参与了这项工作。但这只是开始, 不仅有待完善, 还有一些关键问题必须重新考虑。讨论如下:

(1) MORB Th/U值的实际变化范围很大(1.36~3.81), 且与[La/Sm]N, Nb/Ta, Zr/Hf和Sr-Nd-Pb等同位素相关[74, 75], 表明Th比U更不相容[10], 高Th/U与富集组分相关, 对这些相关关系的最佳解释是MORB源区有交代成因的富集组分[75]。这与上地幔MORB源区有俯冲加入U6+(故Th/U减小)的解释不符。根据已有数据我们还不能说Andersen等[1]不对, 但有必要选择理想样品力求寻找MORB中δ 238U和Th/U的可能相关关系。

(2) OIB的Th/U变化也很大(2.58~5.74)。尽管“ OIB源于再循环洋壳” 的假说[118]被广泛接受, 但这一假说与诸多论证和观察不符[15]。从最易理解的角度, 我们必须承认俯冲洋壳太亏损, 不可能是OIB的唯一或主要物源[15, 79, 88]。更简单地讲, OIB和E-MORB富集不相容元素, 而且越不相容的元素越富集, 所以其源区物质一定经历过low-F熔体交代作用。这一解释与到目前为止的所有观察均无例外地一致[78, 79, 88, 119, 120]。但这并不否定OIB源区有再循环的洋壳物质[88], 只是强调俯冲古洋壳不是OIB的主要源区物质。所以用OIB高的δ 238U和Th/U(图6)来否定OIB有再循环物质或只有更古老(> 2.4 Ga)再循环物质的解释不一定正确。我们认为中国东部新生代碱性玄武岩为回答这一重要问题提供了物质证据(证实和证伪都重要, 见下)。

(3) 牛耀龄[牛耀龄.底部加水谁弱化导致中国东部岩石圈减薄” 的地球化学验证.国家基金委华北克拉通基金申请书, 2010.]提出中国东部新生代碱性玄武岩是有效检验再循环洋壳对大洋玄武岩(E-MORB和OIB)贡献最理想的物质。因为中国东部是全球范围内古洋壳(太平洋俯冲板)滞留在地幔过渡带的唯一实例, 并一定对新生代岩浆作用有重要贡献[53, 79, 121]。我们的工作也已证实古太平洋俯冲板块对该区新生代碱性玄武岩的贡献[121~126]。Xu[127]也认定俯冲太平洋洋壳的重要性。虽然我们从Nb* -Ta* 异常图解认识到新生代碱性玄武岩中有俯冲洋壳的贡献[10, 124~126], 但俯冲洋壳不可能是碱性玄武岩的主要源区组成, 因为俯冲洋壳太亏损, 而这些新生代碱性玄武岩的所有特征都与地幔交代作用有关, 而且交代作用很年轻, 还在持续, 与俯冲太平洋板块脱水直接有关[53, 79, 124, 121~126]。

(4) 中国东部碱性玄武岩有俯冲洋壳的证据, 有陆源沉积物的证据[121~128], 而且是中— 新生代的(氧化程度应该很高), 所以根据Andersen等[1], 一定有U6+加入的重要信息, 这就意味着中国东部新生代碱性玄武岩应该有高的δ 238U, 但是这些碱性玄武岩具有接近OIB的高Th/U(3.9± 0.68)而不是类似MORB的低Th/U (< 3.0, 参见图4和参考文献[10, 75, 79])。

所以, 如果Andersen等[1]的假说具有全球意义, 通过分析关键样品, 我们预测:①分析具有代表性的MORB样品(图1, 4和 5的样品), 期待δ 238U µ 1/[Th/U]的相关关系; Andersen 等[1]仅仅用了慢速扩张的南大西洋洋脊26° S MORB样品, 代表性有限; ②分析具有代表性的中国东部新生代碱性玄武岩, 与图6中的观察不同, 这些碱性玄武岩应该具有δ 238U µ Th/U的特征; 高δ 238U是因为有俯冲的U6+加入, 而高Th/U(3.90± 0.68)则与地幔交代作用有关。证实(或证伪)这2个预测具有深远的地幔动力学意义。因为中国东部新生代碱性玄武岩在成因上与滞留在地幔过渡带古太平洋有成因上的联系[53, 79, 121~127], 而且是全球唯一可以检验再循环洋壳与大洋玄武岩(MORB和OIB)的理想物质[128]。这项研究也有助于我们深入探讨俯冲带变质过程中各种元素的行为[129~132]和同碰撞造山带洋壳的熔融和陆壳的增生[133~136]。

4.3 U同位素分析方法的最新进展

近几年, 对自然界238U-235U分馏的研究迅速开展, 主要是因为过去10多年分析测试技术的研发和测试精度的提高[100]。尤其值得注意的是Tissot等[114]的研究, 不仅优化了Th-U的分离和提纯, 以及高精度的δ 238U测试, 而且通过分析全球多地域海水、河水、湖水、蒸发严、页岩、以及各类陆壳岩石, 获得大陆地壳238U/235U的平均值为137.797± 0.005, 并提出了岩石中238U/235U变化时如何校正Pb-Pb和U-Pb年龄的定量方法。

对我们的研究, 最具有挑战性的是MORB U含量较低, 需要优化提纯、富集和测试的每一个技术环节。本团队成员在讨论和Andersen及英国Bristol大学地球化学实验室其他科学家合作展开U同位素的深入研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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