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王枫教授和许文良教授等在地球深部水循环研究方面取得重要进展

发布日期:2024-05-23      编校: 国帅     审核: 关升亮     点击:

【供稿:地球科学学院】水作为行星宜居的基本要素之一,能否实现地表和深部的循环过程,是探索地球宜居性演化机制的关键,也是地球科学领域的前沿科学问题。已有研究表明地幔过渡带具有较强的储水能力,是地球深部重要的潜在含水圈层(Ohtani,2005)。尽管地球物理观测证实全球深部地幔含水量存在差异,但以东北亚为典型代表的局部地区存在富水的地幔过渡带已被广泛接受(Kelbert et al., 2009)。然而,目前对地幔过渡带水的来源存在行星吸积的原始水和俯冲板片运移的地表水两种认识,地幔过渡带水来源直接证据的缺乏限制了对地球表层和深部水循环过程的认识。

针对上述问题,吉林大学许文良教授和其引领的“地球深部动力学创新团队”成员王枫教授等,选择以东北亚新生代高镁安山岩为代表的板内火山岩作为研究对象(图1),通过地质学、地球化学、地球物理、高压物理等多学科交叉综合研究,证实了东北亚地区地幔过渡带中存在板块俯冲作用运移的地表水,并通过板内火山作用返回到地表,从而实现地球浅部圈层和深部圈层间的水循环,本项研究同时还估算了地球内部与表层水的交换通量。具体成果如下:

1.首次利用K同位素示踪深部水循环过程。K在俯冲以及在地幔过渡带中与水的行为具有高度一致性,且不受去气作用的影响。在地幔部分熔融过程中,K几乎全部进入熔体,且俯冲板片中的K可以通过一系列含K矿物到达地幔过渡带的深度。另外,地表物质与地幔在K同位素组成上存在显著差异,因此,K同位素是示踪深部水循环的理想工具。

2.发现并确定地幔过渡带存在来源于俯冲滞留板片的水。东北亚板内火山岩具有相对宽泛且显著轻于地幔的K同位素组成(δ41K=-0.83‰ ~ -0.15‰)。岩相学和系统的地球化学特征指示上述K同位素组成记录了地幔过渡带的源区信息(图2)。亏损地幔-俯冲沉积物二端元混合并不能解释板内火山岩K同位素和Sr-Nd-Pb同位素之间的协变关系(图3),结合地球物理观测,推测其源区的K同位素组成受俯冲沉积物和轻K同位素流体的共同控制(图4)。前人的研究表明,俯冲榴辉岩具有极轻的K同位素组成(δ41K=-1.64‰ ~ -0.24‰,Liu et al., 2020),并且具备携水进入地幔过渡带的能力。综上所述,可以判定东北亚地幔过渡带中存在起源于俯冲滞留板片的水。

3.同位素端元模拟揭示东北亚地幔过渡带中存在约0.48%由俯冲板片运移的地表水。Sr-Nd-Pb-K多元同位素端元模拟结果显示,东北亚新生代板内火山岩的岩浆源区中存在约1.2%的地表物质加入,其中俯冲板片运移的地表水约占40%(图3),这些水通过板内火山作用再返回到地表,从而实现地球浅部圈层和深部圈层之间的水循环(图1)。

图1东北亚新生代火山活动分布三维示意分布图。图中DC为不同深度和过火山的电阻率切面的低阻异常中心。

图2俄罗斯远东新生代高镁安山岩(a)K同位素vs K2O图解;(b)K同位素vs Ce/Pb图解;(c)K同位素vs La/Sm图解;(d)K同位素vs Nb/La图解

图3俄罗斯远东新生代高镁安山岩(a)K-Sr同位素;(b)K-Pb同位素;(c)K-Nd同位素模拟

图4俄罗斯远东新生代高镁安山岩K同位素vs流体活动指标图解

以上研究成果于2024年5月以“Potassium isotopic evidence for recycling of surface water into the mantle transition zone”为题发表于地球科学领域国际顶级期刊《Nature Geoscience》上。吉林大学地球科学学院博士研究生邢恺晨(现就职于河北地质大学)是论文的第一作者,吉林大学地球科学学院王枫教授和许文良教授为该文的共同通讯作者,参与本项研究的还有美国华盛顿大学Fang-Zhen Teng教授、吉林大学地球科学学院王旖旎副教授、杨德彬教授、吉林大学物理学院博士研究生李泓霖、吉林大学物理学院王彦超教授。该工作由国家自然科学基金(42130302和42022013)、国家重点研发计划(2022YFF0801002)和吉林大学科技创新研究团队(2021-TD-05)等项目联合资助。研究的详细信息请参考原文。

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