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海洋所揭示夏威夷洋島復蘇期火山巖來自富碳地幔柱源區

  近日,中科院海洋所張國良課題組與美國田納西大學黃士春教授合作,在國際著名地學期刊《Geochemistry Geophysics Geosystems》發表了題為“CO2-Rich Rejuvenated Stage Lavas on Hawaiian Islands”的研究論文。該研究主要通過夏威夷三個洋島(圖1)的火山巖化學組成和橄欖石Ni、Ca、Mn元素分配規律,揭示了夏威夷復蘇期原始巖漿相對造盾期具有高度富集CO2的特征,可能起源于被碳酸巖熔體交代后的地幔柱橄欖巖。 

1. 夏威夷洋島/海山鏈構造巖性和火山巖采樣分布圖

  盡管越來越多的研究發現,地球內部可能是重要的碳儲庫,并存儲了地球上大部分碳;但是,關于碳在地球內部的存儲部位及富碳原因并不清楚、或存在較大爭議。通常認為,巖石圈地幔和地幔轉換帶是重要的碳儲庫,然而,關于深部下地幔是否也存在碳富集及其成因,相關研究和認識很有限。 

  夏威夷海山鏈的地幔柱熱點成因在國際上研究程度較高。無論地球物理和地球化學等研究都認為夏威夷熱點起源于下地幔底部,這為研究下地幔的碳富集及其成因提供了重要窗口。夏威夷火山按時間順序可分為四期:造盾前、造盾期、造盾后和復蘇期;其中,造盾期代表火山活動主要時段,形成巖漿體積占整個洋島巖漿量95%以上。復蘇期火山是造盾期完成并經歷一定海浪侵蝕后形成,噴發時間與前三期有一定間隔。在巖性上,造盾期主要是拉斑玄武巖,氣孔較少;而復蘇期火山巖主要是貧硅堿性火山巖,含大量氣孔。 

  本次研究對夏威夷考艾島、歐湖島、馬尾島三個洋島進行了詳細勘察采樣,并對造盾期拉斑玄武巖和復蘇期堿性火山巖進行了詳細礦物學和地球化學研究。結果顯示,復蘇期火山巖相比造盾期在全巖上具有異常低SiO2、Ni和高Ca-Mn的特征,甚至部分堿性玄武巖具高場強元素負異常特征(2)。另一方面,這些堿性玄武巖和拉斑玄武巖橄欖石的Ca、MnFe/Mn卻非常相似,且堿性玄武巖橄欖石Ni含量明顯低于拉斑玄武巖橄欖石(3)。本研究計算獲得了Ca、Mn在橄欖石/熔體間分配系數,并與部分熔融高壓實驗結果進行了對比(4)。結果顯示,造盾期符合一個較“干”的巖漿體系,而復蘇期則是一個高度富集CO2(可達10 wt%)的巖漿體系(5)。這種富碳特征與此前發現夏威夷地幔巖捕擄體含金剛石現象是吻合的。 

2. 夏威夷洋島火山巖微量元素配分圖解

3. 夏威夷洋島火山巖橄欖石斑晶Ni、Ca、Ni元素組成

4. 夏威夷洋島火山巖Ca-Mn元素在橄欖石/熔體間分配系數圖解。注意:復蘇期Ca、Mn在橄欖石/熔體間分配系數明顯低于造盾期

5. 夏威夷洋島火山巖原始巖漿CO2含量計算結果

  根據橄欖石/尖晶石礦物組合進行“Al交換”溫度計算,結果顯示復蘇期原始巖漿溫度與造盾期相似(6),說明溫度不是導致橄欖石Ni含量在兩期巖漿之間巨大差距的原因,更不可能導致復蘇期全巖相對低Ni的特征。據此研究認為,兩期火山巖的橄欖石Ni含量差異主要與源區礦物學組成有關。進一步的,復蘇期火山巖Sr-Nd-Hf同位素組成相對造盾期在整體明顯虧損,說明二者源區明顯不同。研究認為,復蘇期巖漿源區主要是同位素較為虧損的橄欖巖,而造盾期巖漿是含有較多輝石巖且同位素相對富集的地幔(7)。本研究還推測,復蘇期巖漿富集的CO2主要來自古代“俯沖-循環”的“含碳酸鹽巖石圈地?!?。 

圖6. 夏威夷洋島火山巖橄欖石/尖晶石結晶溫度計算結果

7. 夏威夷洋島復蘇期和造盾期巖漿成因模式示意圖。注意:復蘇期火山起源于地幔柱邊部的碳酸鹽化橄欖巖

  本次研究通過夏威夷洋島火山巖礦物學和地球化學,揭示了起源于下地幔的巖漿高度富集CO2(達10 wt%)特征、以及CO2對復蘇期火山巖成因具有重要貢獻。 

  論文第一/通訊作者為張國良研究員,研究過程得到Claude Herzberg、Jacqueline Dixon、Daniel Heaton、Eemu Ranta等多位學者或審稿人的評論和建議,并得到國家自然科學基金、海洋國家實驗室等項目經費資助。 

  文章信息:Zhang Guoliang, Wang Shuai, Huang Shichun, Zhan Mingjun, Yao Junhua, 2022. CO2-Rich Rejuvenated Stage Lavas on Hawaiian Islands. Geochemistry Geophysics Geosystems. 

   https://doi.org/10.1029/2022GC010525.  


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