利用铊同位素示踪俯冲洋壳对堪察加岛弧火山岩的影响

The stable thallium (Tl) isotopes are developing recently. Due to the large diversity of Tl concentration and isotope compositions among depleted mantle wedge, subducted sediment and altered oceanic crust (AOC), Tl isotopes appear to be uniquely suited to disentangle the subducted materials. The Tl concentration of subducted sediment is orders of magnitude higher than inputs of subducted AOC. Recent studies, therefore, have revealed that Tl isotopes can be effectively tracers for subducted sediment in different arcs. However, it has not been clearly observed that subducted AOC has affected arc lavas using Tl isotopes. The influence from AOC-derived fluids or melts is found for the Kamchatka arc and sediment component is not apparent. Therefore, applicant intends to study the Tl isotope compositions of the Kamchatka arc lavas and explore the incorporation of subducted AOC. The applicant has obtained 69 Kamchatka arc lavas and 20 sediment and seamount basalt samples from DSDP Site 192 which is located at Hawaiian-Emperor chain. The pre-study shows that the Tl isotope compositions of sediments are undistinguishable to depleted mantle wedge. The Kamchatka arc lavas and seamount basalts display heavier Tl isotope compositions than mantle wedge. It implies that subducted seamount plays an important role in the petrogenesis of Kamchatka arc lavas. The implementation of this project is significant for using Tl isotopes to trace recycling process of oceanic crust.

铊同位素是近年来刚刚发展起来的稳定同位素示踪体系，对进入地幔的俯冲物质非常敏感。由于俯冲沉积物中铊含量远高于俯冲洋壳，因此近几年的研究揭示铊同位素可以有效示踪俯冲沉积物对不同岛弧火山岩的影响，然而还没有明确观察到俯冲洋壳对岛弧火山岩的影响。堪察加岛弧火山岩中俯冲沉积物的影响并不明显，而主要受到俯冲洋壳流体或熔体影响，因此申请人拟对堪察加岛弧火山岩中铊同位素组成进行研究，探讨俯冲洋壳对堪察加岛弧火山岩中铊同位素组成的影响。申请人已获得了69个堪察加岛弧火山岩样品和位于夏威夷－帝王海山链的DSDP 192站位整个剖面的20个沉积物和海山玄武岩样品，并进行了预研究。预研究结果显示该地区沉积物的铊同位素组成与地幔楔一致，海山玄武岩和堪察加岛弧中部火山岩的铊同位素组成都较重，因此堪察加岛弧火山岩中铊同位素组成很可能反应了俯冲海山的影响。本项目的实施对利用铊同位素示踪俯冲洋壳再循环具有重要意义。

由于不同俯冲物质（如沉积物和蚀变洋壳）具有不同的铊同位素组成特征，并明确区别于地幔的铊同位素组成，而且俯冲物质具有远高于地幔的铊含量，因此铊同位素体系对进入地幔的俯冲物质非常敏感。近年来的研究揭示铊同位素可以有效示踪俯冲沉积物对不同弧火山岩的影响，然而截止到项目实施期间还没有明确的研究观察到俯冲洋壳对弧火山岩的铊同位素组成产生显著影响。本项目针对这一问题，选取了堪察加俯冲带为研究对象，由于夏威夷-帝王海山链向堪察加岛弧下方俯冲，使得该俯冲带沉积物的厚度变薄，俯冲沉积物的影响并不明显，而主要受到俯冲海山的影响。项目测试分析了堪察加岛弧弧前至弧后的69个火山岩样品的铊同位素数据，获得了堪察加岛弧在不同俯冲深度下的铊同位素组成特征。本项目还完成了位于夏威夷-帝王海山链的海山沉积物和海山玄武岩以及远洋沉积物的30个样品的主微量元素、放射性成因Sr、Nd和Pb同位素以及稳定铊同位素测试分析工作，制约了堪察加海沟外侧俯冲沉积物和俯冲海山的地球化学组成。研究结果揭示俯冲的夏威夷-帝王海山链控制了堪察加岛弧火山岩的铊同位素组成，俯冲物质在不同深度下由不同含水矿物脱水形成的流体对堪察加岛弧火山岩的成因具有重要影响。针对俯冲流体中铊元素分异和铊同位素分馏行为的研究揭示，俯冲物质中硬柱石脱水形成的流体具有非常低的铊含量，混杂岩脱水和熔融模型可以解释堪察加岛弧火山岩的微量元素和同位素组成特征。