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李继磊等-GCA&IGR:流-岩交换过程解译俯冲带中硫的迁移
2021-02-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  俯冲带是地球一级物质循环体系,控制着地球内部与地表之间各种元素与挥发份的交换过程,影响着全球的元素循环。基于地球化学、地球物理和实验岩石学研究,目前的共识是板片向上覆地幔楔输送挥发份物质的主要介质是俯冲带流体。深俯冲的沉积物、蚀变洋壳和蛇纹石化地幔通过变质脱水反应形成的富水流体充当了CSNB、卤族等元素的传输媒介。S是连接大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的关键元素之一,在诸多地质过程中扮演着关键的角色,如控制着地球早期核幔分异、地球大气成分、岩浆作用与演化、成矿物质聚集、以及地球各储库的氧化还原状态等。因此厘清俯冲带内S的地球化学行为及其在流体中的迁移过程对理解上述地质过程以及地球历史上大气环境的演化具有至关重要的意义。中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室李继磊等(2020)的最近工作建立了俯冲带脱硫效率、全球脱硫通量等关键信息,同时揭示了板片流体中S的溶解度可高达1-2 wt.%,但目前对携带S进行大规模迁移的板片流体性质、以及板片内部流-岩反应对S迁移的影响(阻碍或促进)还缺乏深入的认识。 

  在科技部、基金委、中科院等项目的资助下,李继磊副研究员、高俊研究员,与柏林自由大学Timm John教授、耶鲁大学Jay Ague教授等合作,对代表典型洋壳俯冲带——西南天山高压-超高压变质带内的含硫化物的变质沉积岩、变质基性岩(蓝片岩/榴辉岩)、高压蛇纹岩及其中的高压脉体进行了详细岩石学和地球化学研究,以揭示俯冲带内S的地球化学行为以及流体迁移特征。 

  他们首先解析了俯冲板片的S同位素(δ34S)信息。基于西南天山高压-超高压变质带内各类岩石中硫化物的δ34S特点,收集了目前已报道的全球HP-UHP变质地体中硫化物原位δ34S数据,归纳出如下特点(图1):1)变质沉积岩的δ34S值在-33 ‰ -6‰2)变质基性岩的δ34S值在-4‰+4‰3)变质蛇纹岩的δ34S值在+2‰+18‰。系统的数据表明,在俯冲板片高压变质过程中,俯冲岩石中的硫化物基本保留了其原岩δ34S特征,暗示在板片俯冲过程中并未发生明显的硫同位素分馏现象。他们的研究(IGR, 2021)为利用岩石δ34S值进行流体源区示踪的可行性提供了前提条件。 

1 全球高压-超高压地体中硫化物的δ34S分布范围。总体来看,变质沉积岩具有负的、变玄武岩具有零附近的、变质蛇纹岩具有正的δ34S

  为了解译俯冲带流体中S的迁移与再分配过程,他们对三个典型的榴辉岩/蓝片岩-蚀变带-脉体体系开展了详细的岩石学和地球化学研究(图2)。     

2 用以解析俯冲带流体S迁移的三个典型的榴辉岩/蓝片岩-蚀变带-脉体样品

  通过硫化物的微量元素(Co-Ni)分布图结合原位硫化物S同位素测试手段,脉体/蚀变带的黄铁矿微量元素值(尤其是Co)与δ34S同位素值展现出良好的协同变化特点,这一特征揭示了俯冲带中不同来源的多期流体作用(图3)。此外,研究发现了全球高压变质岩中迄今为止最重的δ34S值(+25‰,图3),暗示海水硫酸盐的δ34S信号可以被俯冲板片带入到地幔深度。由于目前尚未在典型洋壳高压变质岩中发现稳定于>1 GPa的硫酸盐矿物,所以少量海水硫酸盐的δ34S信号可能是通过硫化物的形式被携带到地幔深处。 

3 黄铁矿Co元素分布图及原位δ34S值揭示多期流体作用过程。本样品记录了全球高压变质岩中迄今为止发现的最重的δ34S值(约+25‰    

  通过对榴辉岩/蓝片岩-蚀变带-脉体的细致研究,他们(GCA2021)揭示出俯冲带深部两类性质不同的含S流体: 

  1)富Fe的中硫逸度(fS2)流体。中fS2条件下黄铁矿-磁黄铁矿共存,富Fe的性质使磁黄铁矿比黄铁矿更稳定。该流体在流-岩交换过程中促使反应带中黄铁矿向磁黄铁矿的转化(图4a-4c),在这个过程中总体S含量上没有发生明显变化,但S同位素交换依然显著。由于在流-岩交换过程中没有S的损失,富FefS2流体有利于S迁移出俯冲板片以促进大规模俯冲带S循环。 

  2)贫Fe的高fS2流体。高fS2条件下磁黄铁矿不稳定,该流体在流-岩交换过程中促使反应带中磁黄铁矿向黄铁矿转化,并伴随着反应带中黄铁矿的大量沉淀以及S同位素的显著交换(图4d-4f)。由于在流-岩交换过程中有新的黄铁矿的结晶,流体中大量的S被锁固在流体通道两侧,因此贫FefS2流体无法进行S的远距离迁移,不利于俯冲带S循环。 

4不同性质流体作用下流岩反应过程中S的迁移、交换、再分配示意图。左:富Fe的中fS2流体;右:贫Fe的高fS2流体

  成果的创新点在于提出了“俯冲带中高fS2流体并不利于S的长距离迁移,而中fS2流体才可能是S迁移出俯冲板片的主要方式”的新颖观点,改变了以往人们对这一过程的感性认识。本项工作为研究俯冲带流体作用下硫化物的转变、S的迁移与沉淀、S同位素交换等过程提供了重要的天然样品实例,对理解俯冲带内S的释放或深俯冲具有重要的启示意义。 

  研究成果发表于国际权威学术期刊GCA和专业期刊IGR。成果受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青促会等项目资助。 

  1.李继磊, Schwarzenbach E M, John T, Ague J J, Tassara S, 高俊. Konecke B A. Subduction zone sulfur mobilization and redistribution by intraslab fluid–rock interaction[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021, 297: 40-64. DOI: 10.1016/j.gca.2021.01.011.原文链接 

  2.李继磊, Klemd R, 黄高风, Ague J, 高俊. Unraveling slab δ34S compositions from in-situ sulfide δ34S studies of high-pressure metamorphic rocks[J]. International Geology Review, 2021, 63: 109-129. DOI: 10.1080/00206814.2020.1827305.原文链接 

 
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