中科院海洋所深海中心孫衛東研究團隊與張國良研究團隊合作，系統分析了來自大洋鉆探329航次U1365和U1368鉆孔的洋殼玄武巖和典型的大洋俯沖帶榴輝巖的鉀（K）同位素組成特征，研究結果有效地約束了低溫洋殼蝕變過程中的K同位素地球化學行為，并揭示了其對俯沖帶和全球K元素循環的影響。相關成果近日發表在Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。
該成果的研究樣品包含蝕變洋殼玄武巖和大洋俯沖帶高壓變質巖。其中，洋殼玄武巖樣品代表了洋殼最上層，經歷了不同類型和不同強度低溫蝕變的玄武巖，榴輝巖為經歷了洋殼低溫蝕變和高溫變質脫水過程的高壓變質巖，是研究低溫蝕變過程中K同位素地球化學行為和俯沖過程K同位素地球化學的理想樣品。研究結果顯示，與未蝕變玄武巖相比，研究的蝕變玄武巖樣品 41K值具有大的變化范圍(-0.76‰ ~ -0.17‰)，表明低溫洋殼蝕變過程中可以產生顯著的K同位素分餾。樣品鉀同位素組成與蝕變類型及蝕變指標無明顯相關性。結合已發表數據，本研究認為在形成蝕變礦物的過程中，海水與蝕變礦物之間的平衡以及動力學分餾作用是造成低溫蝕變洋殼K同位素特征的原因。本項目模擬了海水分離進入基底流體的過程，結果顯示不同分餾系數和分離程度可以獲得不同鉆孔的K同位素特征。研究獲得了低溫蝕變洋殼的參考值 41K為-0.40 0.33‰ (2sd)，該參考值與新鮮洋中脊玄武巖類似，但明顯低于海水的K同位素組成( 41K = +0.12 0.07‰, 2sd)。因此，本研究證明了低溫洋殼蝕變過程是形成海水重K同位素組成的重要原因。
循環海水中沉積的K的同位素組成與玄武巖吸收K的比例關系圖
在俯沖帶，蝕變洋殼將發生變質脫水，并俯沖進入深部地幔，這些過程將會對全球K元素循環產生哪些影響呢？深俯沖的地殼物質又會如何影響深部地幔的組成呢？帶著以上問題，科研人員進一步研究了大洋俯沖帶榴輝巖，結果顯示原巖為蝕變洋殼的榴輝巖具有低的K含量(415-9132 g/g）和輕的K同位素組成（ 41K值-1.64 to -0.24‰），同時榴輝巖樣品 41K值與K2O含量和K/Nb比值具有較好的相關性。K和鈮（Nb）不相容程度類似，但相比于Nb，K具有更強的流體活動性，K/Nb比值的降低代表了俯沖變質脫水過程中K的丟失。因此， 41K值與K2O和K/Nb的相關性表明榴輝巖輕的K同位素組成可能是由變質脫水過程導致的。通過瑞利分餾模型進行了變質脫水過程中K同位素行為的模擬。模擬結果顯示，不同程度蝕變的洋殼經歷不同程度的脫水，不僅可以形成榴輝巖輕的K同位素特征，而且可以形成榴輝巖 41K與K2O之間的相關性，進一步證明了以上結論。
松多榴輝巖K同位素組成與K2O (wt%)和K/Nb的相關性及蝕變洋殼俯沖變質脫水過程中的瑞利分餾模擬
通過以上研究證明，低溫洋殼蝕變過程是形成海水重K同位素重要成因；蝕變洋殼在俯沖變質過程中，具有輕K同位素組成的物質可以進入深部地幔，形成具有不同于虧損地幔K同位素組成的地幔端元，同時變質流體可以促使地幔楔熔融形成具有重K同位素組成的島弧巖石。
K同位素地球化學行為示意圖
（1）低溫洋殼蝕變過程，（2）高溫洋殼蝕變過程，（3）變質脫水過程，（4）洋殼物質深俯沖，（5）洋島玄武巖的形成
本研究得到了國家自然科學基金、中科院先導項目和博士后基金聯合資助。論文第一作者為深海中心博士后劉海洋，通訊作者為劉海洋、孫衛東、王昆。海洋所深海中心張國良、薛穎瑜，中國科學技術大學肖益林，圣路易斯華盛頓大學田禎、Brenna Tuller-Ross共同參與了此項研究。
相關成果論文題目及發表鏈接如下：
(1) Liu Haiyang., Wang Kun., Sun Wei-Dong., Xiao Yilin., Xue Ying-Yu. and Tuller-Ross B. 2020. Extremely light K in subducted low-T altered oceanic crust: Implications for K recycling in subduction zone. Geochimica et Cosmochimica Acta 277, 206-223. http://doi.org/10.1016/j.gca.2020.03.025
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703720301964
(2) Liu Haiyang., Xue Ying-Yu., Zhang Guoliang., Sun Wei-Dong., Tian Zhen., Tuller-Ross B. and Wang Kun. (2021) Potassium isotopic composition of low-temperature altered oceanic crust and its impact on the global K cycle. Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.08.001
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721004671
