科研人员揭示贵金属元素Os在俯冲脱水过程中的活动性地球早期发生核幔分离时

地球早期发生核幔分离时，部分元素随铁镍合金进入地核，从而造成它们在硅酸岩地球（包括地幔和地壳）中的含量极低，也因此被称为“贵金属元素”（包括Os、Ir、Ru、Rh、Pt、Pd、Ag、Au）。相对于硅酸岩相，以上元素与 Re 都强烈倾向于进入金属相和硫化物相，从而又分别被区分为强亲铁元素（Highly siderophile elements，HSE）和强亲铜元素（Highly chalcophile elements，HCE）。在地壳和地幔岩石中，这些元素主要赋存于硫化物。强亲铁元素中的 Re-Os 同位素体系主要利用 187Re 衰变成 187Os（半衰期为456亿年）。由于地幔熔融过程中， Re 表现为中等不相容元素而进入到熔体相， Os 表现为相容元素而残留在橄榄岩中，因此地幔部分熔融可以造成 Re/Os 的分馏，这使得 Re-Os 同位素体系成为目前公认的测定地幔岩石年龄的最佳方法。除了用作定年手段外， Re-Os 同位素体系也是壳幔物质循环与相互作用的良好示踪剂，因为地壳岩石具有高 Re/Os 值，相对于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 通常小于0.13，而地壳岩石的 187Os/188Os 则远大于0.13）。

俯冲带是地壳物质循环以及壳幔物质交换的重要场所。俯冲板片发生脱水或熔融所释放出的流体或熔体交代并引发上覆地幔楔的熔融，是形成岛弧岩浆的主要机制。在俯冲板片脱水或熔融过程中，部分元素表现出活动的性质，随流体或熔体迁移至地幔楔并最终进入到岛弧岩浆。因此，这些活动元素可以示踪俯冲带板片脱水或熔融这一深部过程。岛弧岩浆岩普遍具有比正常地幔更高的 187Os/188Os 比值，表明其源区中有高放射性成因的地壳 Os 加入，而部分地幔楔橄榄岩包体也具有比正常地幔更高的 187Os/188Os 比值，从而支持地幔楔中确实有地壳 Os 的加入。传统观点解释这是由于板片脱水释放出的富 Cl 、氧化性流体可显著提高 Os 的溶解度，从而导致高放射性成因的 Os 随流体从俯冲板片加入至地幔楔。但已有研究发现，西太平洋 Izu-Bonin-Mariana（IBM）岛弧玻安岩中尖晶石的 187Os/188Os 值与地幔相当，并未呈现明显升高，这表明地壳的 Os 并没有明显地从俯冲板片加入到弧前地幔中。当前研究对俯冲板片在弧前地区脱水时 Os 的地球化学行为仍不清晰，对弧前橄榄岩开展 Os 同位素研究是解决这一问题的重要手段。

针对该科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室研究员刘传周及其合作者对来自西南太平洋的新喀里多尼亚蛇绿岩中的地幔橄榄岩开展了 Os 同位素的研究。新喀里多尼亚蛇绿岩是全球范围内公认的典型弧前蛇绿岩，其地幔橄榄岩由于遭受了俯冲流体诱发下的高程度部分熔融，具有非常难熔的成分（如尖晶石具有非常高的Cr#值）。Os 同位素研究结果表明，部分样品具有非常低的 Os（＜1ppb），但是其 187Os/188Os 比值类似于正常的地幔（即187Os/188Os＜0.13），并没有发生显著的升高。这证实了几乎没有地壳的 Os 通过板片脱水而进入到弧前地幔当中。

通过对比新喀里多尼亚弧前橄榄岩与地幔楔橄榄岩包体的Os同位素数据发现，当两者的 Os 含量都＜1 ppb 时，部分地幔楔橄榄岩包体具有明显高的 187Os/188Os 比值，而新喀里多尼亚弧前橄榄岩的 187Os/188Os 比值没有发生显著升高。这表明放射性成因的 Os 并没有显著地从俯冲板片转移至弧前地幔中，从而暗示尽管俯冲板片弧前脱水可以释放富 Cl 的高氧化性流体，但 Os 元素在这种流体中是不活动的。研究提出，造成弧前橄榄岩与地幔楔橄榄岩包体的 Os 同位素的这种差异，可能反映了俯冲板片在不同深度脱水或熔融时，硫化物在板片具有不同的稳定性，导致 Os 具有不同的活动性。俯冲板片在浅部发生脱水时，由于硫化物在板片中保持稳定，因此 Os 被保留在板片中而不会随释放的流体加入到上覆的地幔楔中。但在更深的部位，俯冲板片可能发生熔融或释放超临界流体，此时硫化物将变得不稳定而发生分解，导致 Os 随熔体或超临界流体加入到地幔楔中。这一观点可以很好地解释堪察加岛弧岩浆所携带的、来自不同深度地幔楔橄榄岩包体的 187Os/188Os 比值变化，即来自浅部受俯冲流体交代的橄榄岩样品具有与正常地幔类似的 187Os/188Os 比值，而来自深部遭受俯冲熔体交代的橄榄岩样品则具有明显升高的 187Os/188Os 比值。

相关研究成果发表在 Geology 上。

图1.新喀里多尼亚地质图及采样点

图2.地幔橄榄岩 Os 同位素比值与 Os 含量的关系

来源：中国科学院地质与地球物理研究所