科研人員揭示貴金屬元素Os在俯衝脫水過程中的活動性

地球早期發生核幔分離時，部分元素隨鐵鎳合金進入地核，從而造成它們在硅酸岩地球（包括地幔和地殼）中的含量極低，也因此被稱為「貴金屬元素」（包括Os、Ir、Ru、Rh、Pt、Pd、Ag、Au）。相對於硅酸岩相，以上元素與 Re 都強烈傾向於進入金屬相和硫化物相，從而又分別被區分為強親鐵元素（Highly siderophile elements，HSE）和強親銅元素（Highly chalcophile elements，HCE）。在地殼和地幔岩石中，這些元素主要賦存於硫化物。強親鐵元素中的 Re-Os 同位素體系主要利用187Re 衰變成187Os（半衰期為456億年）。由於地幔熔融過程中， Re 表現為中等不相容元素而進入到熔體相， Os 表現為相容元素而殘留在橄欖岩中，因此地幔部分熔融可以造成 Re/Os 的分餾，這使得 Re-Os 同位素體系成為目前公認的測定地幔岩石年齡的最佳方法。除了用作定年手段外， Re-Os 同位素體系也是殼幔物質循環與相互作用的良好示蹤劑，因為地殼岩石具有高 Re/Os 值，相對於地幔岩石通常具有非常高的放射性成因 Os 同位素比值（地幔岩石的187Os/188Os 通常小於0.13，而地殼岩石的187Os/188Os 則遠大於0.13）。

俯衝帶是地殼物質循環以及殼幔物質交換的重要場所。俯衝板片發生脫水或熔融所釋放出的流體或熔體交代並引發上覆地幔楔的熔融，是形成島弧岩漿的主要機制。在俯衝板片脫水或熔融過程中，部分元素表現出活動的性質，隨流體或熔體遷移至地幔楔並最終進入到島弧岩漿。因此，這些活動元素可以示蹤俯衝帶板片脫水或熔融這一深部過程。島弧岩漿岩普遍具有比正常地幔更高的187Os/188Os 比值，表明其源區中有高放射性成因的地殼 Os 加入，而部分地幔楔橄欖岩包體也具有比正常地幔更高的187Os/188Os 比值，從而支持地幔楔中確實有地殼 Os 的加入。傳統觀點解釋這是由於板片脫水釋放出的富 Cl 、氧化性流體可顯著提高 Os 的溶解度，從而導致高放射性成因的 Os 隨流體從俯衝板片加入至地幔楔。但已有研究發現，西太平洋 Izu-Bonin-Mariana（IBM）島弧玻安岩中尖晶石的187Os/188Os 值與地幔相當，並未呈現明顯升高，這表明地殼的 Os 並沒有明顯地從俯衝板片加入到弧前地幔中。當前研究對俯衝板片在弧前地區脫水時 Os 的地球化學行為仍不清晰，對弧前橄欖岩開展 Os 同位素研究是解決這一問題的重要手段。

針對該科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所岩石圈演化國家重點實驗室研究員劉傳周及其合作者對來自西南太平洋的新喀里多尼亞蛇綠岩中的地幔橄欖岩開展了 Os 同位素的研究。新喀里多尼亞蛇綠岩是全球範圍內公認的典型弧前蛇綠岩，其地幔橄欖岩由於遭受了俯衝流體誘發下的高程度部分熔融，具有非常難熔的成分（如尖晶石具有非常高的Cr#值）。Os 同位素研究結果表明，部分樣品具有非常低的 Os（＜1ppb），但是其187Os/188Os 比值類似於正常的地幔（即187Os/188Os＜0.13），並沒有發生顯著的升高。這證實了幾乎沒有地殼的 Os 通過板片脫水而進入到弧前地幔當中。

通過對比新喀里多尼亞弧前橄欖岩與地幔楔橄欖岩包體的Os同位素數據發現，當兩者的 Os 含量都＜1 ppb 時，部分地幔楔橄欖岩包體具有明顯高的187Os/188Os 比值，而新喀里多尼亞弧前橄欖岩的187Os/188Os 比值沒有發生顯著升高。這表明放射性成因的 Os 並沒有顯著地從俯衝板片轉移至弧前地幔中，從而暗示儘管俯衝板片弧前脫水可以釋放富 Cl 的高氧化性流體，但 Os 元素在這種流體中是不活動的。研究提出，造成弧前橄欖岩與地幔楔橄欖岩包體的 Os 同位素的這種差異，可能反映了俯衝板片在不同深度脫水或熔融時，硫化物在板片具有不同的穩定性，導致 Os 具有不同的活動性。俯衝板片在淺部發生脫水時，由於硫化物在板片中保持穩定，因此 Os 被保留在板片中而不會隨釋放的流體加入到上覆的地幔楔中。但在更深的部位，俯衝板片可能發生熔融或釋放超臨界流體，此時硫化物將變得不穩定而發生分解，導致 Os 隨熔體或超臨界流體加入到地幔楔中。這一觀點可以很好地解釋堪察加島弧岩漿所攜帶的、來自不同深度地幔楔橄欖岩包體的187Os/188Os 比值變化，即來自淺部受俯衝流體交代的橄欖岩樣品具有與正常地幔類似的187Os/188Os 比值，而來自深部遭受俯衝熔體交代的橄欖岩樣品則具有明顯升高的187Os/188Os 比值。

相關研究成果發表在Geology上。

圖1.新喀里多尼亞地質圖及採樣點

圖2.地幔橄欖岩 Os 同位素比值與 Os 含量的關係

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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