熔體-橄欖巖反應導致地幔Zn同位素組成的不均一:義大利阿爾卑斯IVZ橄欖巖的證據

2021-01-19 燕山期重大地質事件

鋅（Zn）是第四周期ⅡB族的過渡族金屬元素，有0和+2兩個價態，在自然界礦物中主要以Zn+2存在。Zn共有5個穩定同位素，分別為64Zn（48.63%）、66Zn（27.90%）、67Zn（4.10%）、68Zn（18.75%）、70Zn（0.62%）（括號內數字表示同位素的自然豐度）。Zn是中等揮發性元素（50%凝聚溫度T50= 726K），中等不相容性元素，流體活動性元素，成礦元素（例如Zn-Pb礦床）和生命必須元素。在核-幔分異過程中，Zn長期被認為是親石元素，得到了後期高溫高壓實驗的證實。Zn同位素現已被廣泛應用於宇宙化學、地球化學、環境科學、礦床學和醫學等領域。

地幔是Zn的主要儲庫，Zn同位素在地幔地球化學中具有重要的應用。地幔礦物的Zn含量可以從幾十到幾千ppm，其中矽酸鹽礦物和尖晶石是Zn的主要寄主礦物，而硫化物（~99%為Cu-Fe-Ni-S）幾乎不含Zn。因此，地幔中Zn同位素的地球化學行為主要受控於矽酸鹽礦物和尖晶石。清楚掌握地幔過程中Zn同位素的分餾行為和分餾機制是利用Zn同位素解決地幔問題的前提條件。前人通過對橄欖巖包體的Zn同位素研究，獲得兩種截然相反的結論：（1）部分熔融（高達50%）不會導致橄欖巖Zn同位素組成的變化（≤0.06‰δ66Zn）；（2）部分熔融（>30%）能夠導致橄欖巖顯著的Zn同位素組成的變化（~0.16‰δ66Zn）。除了部分熔融，地幔交代作用也是導致地幔化學成分變化的主要因素，但尚無研究詳細探討地幔交代過程中Zn同位素的分餾行為和分餾機理。為此，我們測定了義大利南阿爾卑斯造山帶IVZ地區（圖1）地體橄欖巖（~3平方公裡）的稀土元素含量和Zn同位素組成。橄欖巖樣品包括二輝橄欖巖、方輝橄欖巖和純橄巖，記錄了地幔部分熔融和交代作用過程。相比火山巖中橄欖巖包體，地體橄欖巖的優點在於（1）元素和同位素信息不會受到火山熔巖-橄欖巖反應的影響；（2）可以原位觀察地幔過程和不同巖性的結構關係。

 稀土元素結果和計算模擬顯示，二輝橄欖巖可以由原始地幔成分的橄欖巖經過小於15%的分離熔融形成（圖2）；而方輝橄欖巖和純橄巖具有比二輝橄欖巖高的(La/Sm)PM和(La/Yb)PM比值（圖2），說明它們不是「純」的部分熔融的產物。同時，方輝橄欖巖和純橄欖巖具有與虧損洋中脊玄武巖一致的Sr-Nd-O同位素組成以及極低的稀土元素含量（稀土元素總含量為0.10‒1.43ppm），說明它們受到了來自深部石榴子石相地幔熔體的交代作用。在深部熔體交代過程中，輕稀土元素發生了重新分配，導致方輝橄欖巖和純橄巖的輕稀土含量相對中-重稀土含量的升高，從而解釋它們偏高的(La/Sm)PM和(La/Yb)PM比值（圖2）。

圖1 義大利南阿爾卑斯Ivrea-Verano Zone地質簡圖和採樣地點

圖2 橄欖巖的稀土元素的原始地幔標準化圖解。灰色線條表示起始成分為原始地幔（a）和虧損地幔（b）分離熔融模型計算的結果

二輝橄欖巖具有相對均一的Zn同位素組成，且δ66Zn與地幔熔融指標Al2O3，Mg#以及(La/Nd)PM不存在明顯的相關性（圖3），說明<15%的地幔熔融不會導致地幔橄欖巖Zn同位素組成的明顯變化。相反，受到矽酸鹽熔體交代的方輝橄欖巖和純橄巖具有顯著升高的δ66Zn（圖3），說明在熔體-橄欖巖反應過程中，Zn同位素發生了顯著的分餾。模擬結果顯示，深部熔體和二輝橄欖巖的混合作用解釋不了方輝橄欖巖和純橄巖偏重的Zn同位素組成（圖3）。

圖3 橄欖巖δ66Zn與元素含量和比值相關圖解。Avg. Lhz 代表二輝橄欖巖平均；BM Cp和BM Web代表深部石榴子石相地幔熔體；MORB代表洋中脊玄武質熔體。黑色線條代表混合軌跡，說明方輝橄欖巖和純橄巖的重Zn同位素組成不是熔體混合的結果

因此，我們提出方輝橄欖巖和純橄巖高δ66Zn是由於在熔體-橄欖巖反應過程中，Zn同位素的動力學擴散分餾所致。在這個過程中，由於橄欖巖的Zn含量高於深部熔體的Zn含量（圖3），Zn順著化學勢由橄欖巖向熔體擴散。輕Zn同位素（64Zn）比重Zn同位素（66Zn）擴散速率快，更多的64Zn擴散進入了熔體相，導致固相方輝橄欖巖和純橄巖具有偏重的Zn同位素組成和偏低的Zn含量（圖4）。根據擴散模型和利用Matlab軟體，我們計算獲得了橄欖石的βZn（動力學分餾係數）為0.05‒0.06（圖5）。

圖4 模擬結果顯示方輝橄欖巖和純橄欖發生了Zn擴散丟失

圖5 模擬計算顯示，當橄欖石的βZn為0.05‒0.06可以很好地解釋方輝橄欖和純橄巖偏高的δ66Zn

該成果於2018年4月發表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth上，第一和通訊作者為中國科學技術大學黃建特任副研究員，黃方教授為共同通訊作者。本研究成果受國家重點研發計劃「深地資源勘查開採」重點專項「燕山期重大地質事件的深部過程與資源效應」（2016YFC06004）和國家自然科學基金（41773002，41573018，41325011）聯合資助。

 

論文信息：

Huang, J*., Chen, S., Zhang, X.C.,Huang, F*., 2018. Effects of Melt Percolation on Zn Isotope Heterogeneity inthe Mantle: Constraints From Peridotite Massifs in Ivrea‐VerbanoZone, Italian Alps. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2017JB015287

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