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李繼磊等-NC:解析俯沖帶硫循環
2020-02-04 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  硫(S)是地球上最常見的揮發分之一,在地球圈層形成與分異、巖漿演化與氧化還原狀態、金屬成礦元素富集以及全球氣候變化等諸多地質過程中扮演著重要的角色。俯沖帶是全球最大的物質循環系統,俯沖板片攜帶大量地殼物質進入深部地幔是殼-幔物質輸送的關鍵環節,俯沖板片釋放流體誘發地幔楔部分熔融導致島弧巖漿作用是幔-殼物質交換的反饋機制之一。S在俯沖帶過程中扮演著非常重要的角色,傳統觀點認為島弧火山巖及熔融包裹體的高S含量及重δ34S值(相對于MORB)是俯沖板片向弧下地幔持續輸送SO42-(富34S同位素)的結果;此外,島弧環境的高氧逸度特征也被歸因于攜帶SO42-的俯沖帶流體對地幔楔持續氧化的結果。這種高氧逸度富S巖漿體系是島弧斑巖礦床廣泛發育的關鍵因素之一。然而,以往研究均是從島弧巖漿地球化學角度來推測俯沖帶S釋放的特點,多為定性的判斷,尚缺少俯沖帶-島弧之間S循環的直接證據。具體而言,俯沖帶流體是控制板片向地幔楔S輸送最主要的方式,然而目前對俯沖帶流體中S的類型、含量以及同位素值并不清楚,嚴重制約了對俯沖帶釋放S通量限定以及對俯沖帶-島弧S循環的深入理解。 

  中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究院重點實驗室李繼磊副研究員、高俊研究員等,與柏林自由大學Timm John教授、耶魯大學Jay Ague教授等合作,對西南天山高壓-超高壓變質帶中含硫化物的變質沉積巖、變質基性巖(藍片巖/榴輝巖)、高壓蛇紋巖及其中的高壓脈體進行了詳細巖石學、全巖及原位S同位素地球化學和熱力學模擬研究。巖相學證據揭示藍片巖、榴輝巖及脈體中均有硫化物產出,無硫酸鹽礦物。地球化學測試結果顯示變質沉積巖具有負、變基性巖具有近零、蛇紋巖具有正的δ34S值;脈體硫化物原位S同位素值推斷俯沖沉積物釋放流體的δ34S值為-8‰,基性藍片巖/榴輝巖推斷俯沖洋殼釋放流體的δ34S值約為0‰(如圖1),板片蛇紋巖釋放流體的δ34S值約為+8‰。 

1 含硫化物脈體及主巖的全巖與原位S同位素組成所揭示的俯沖帶流體δ34S

  俯沖帶流體中S的含量([S])及其種型是厘定俯沖帶對島弧S效應的關鍵。本研究利用最新的DEW模型計算出在不同深度俯沖流體中[S]及種型比例。結果顯示在設定的P-T-fO2條件下,S多是以還原態的HS-H2S形式存在,SO42-離子含量非常低,與巖相學、地球化學證據相一致。流體中[S]總體較低,但在~90 km處具有一個峰值,高達0.5-1.0 wt.%(圖2a)。該[S]峰值恰好對應于俯沖板片流體釋放高峰期(圖2b),暗示俯沖板片在弧下深度(70-100 km)可能存在一個短暫高效的S釋放窗口。通過質量平衡計算,確定全球俯沖帶S輸出(output)通量為2.91×1012 g/yr 30-230 km深度),其δ34S值為-2.1±3 ‰(圖3)。相對于根據標準大洋巖石圈層序計算出的全球俯沖帶S輸入(input)通量4.65×1013 g/yr,僅有6.3%S被釋放到上覆地幔楔(圖3)。 

2 俯沖帶流體釋放與S含量峰值重疊揭示板片在弧下深度的S釋放窗口

3 俯沖帶硫循環的定量模型

  本成果的創新點及科學意義在于: 

  1)首次從俯沖帶角度給出全面的(考慮板片各個層位不同巖性釋放流體的S含量/種型/同位素)、定量的(輸入、輸出通量/同位素定量)俯沖帶S循環解析。俯沖帶僅釋放約6.3%S,即使考慮計算誤差,俯沖帶-島弧S循環效率也不超過20%。 

  2)提出俯沖帶的S不是島弧的氧化劑,俯沖帶在弧下深度不能以SO42-的形式為地幔楔提供氧化物質。島弧的高氧逸度特征應歸因于其初始巖漿中H2O的解離或巖漿分異(如Lee Cin-Ty的觀點),這對厘清島弧高氧逸度的來源及相關礦床的成因具有重要的指導意義。 

  3)俯沖帶釋放流體的δ34S值為負值,與島弧火山巖中觀測到的正δ34S值可能無直接聯系。島弧巖漿中δ34S值由負到正演化可能來源于巖漿分異中的其它過程或地殼混染。 

  4)現今大洋巖石圈的長期俯沖會造成深部地幔δ34S值的持續下降,以及地表S儲庫δ34S值的持續上升,對建立地球長期的S演化模型有重要指示意義。    

  研究成果發表于國際頂級學術期刊Nature Communications。(Li Ji-Lei*, Schwarzenbach Esther M, John Timm *, Ague Jay J, Huang Fang, Gao Jun*, Klemd Reiner, Whitehouse Martin J, Wang Xin-Shui. Uncovering and quantifying the subduction zone sulfur cycle from the slab perspective [J]. Nature Communications, 2020, 11: 514. DOI:10.1038/s41467-019-14110-4)(原文鏈接)。該成果受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青促會等項目的資助。 

 
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