亲铜元素在地幔熔体迁移交代过程中的地球化学行为及其意义

This project will study geochemical behaviour of chalcophile elements Cu, Ag, S, Se, Te and Re during melt transport and melt-peridotite reaction in depleted mantle and in those domains enriched by subducted materials and constrain whether different compositions of mantle-derived melts (i.e., silicate melts and those containing much water and carbonate) have different impacts on chalcophile elements and their stable isotopes in mantle rocks. These results aim to answer two critical questions: 1) why contents and fractionation of chalcophile elements in mantle peridotites from different tectonic settings show substantial differences; and 2) why Cu isotopes in mantle peridotites and the derivatives display considerable variations. The selected objects mainly include: 1) mantle rocks from Alpine massif-type peridotite body with a depleted signature; and 2) continental basalts and the hosted peridotite and pyroxenite xenoliths, Hannuoba, China, which display a signature of enriched mantle and effects of recycled materials. The applied methods are determination of Cu, Ag, S, Se, Te and Re contents and Cu and Mg isotopic compositions.

本项目拟通过对Cu、Ag、S、Se、Te、Re等亲铜元素在亏损地幔和具俯冲物质加入的富集地幔中随地幔熔体迁移和熔岩交代反应的地球化学行为研究，约束不同成分的地幔熔体（主要是硅酸盐熔体和富含水或碳酸盐等复杂成分的熔体）在迁移交代过程中是否以不同方式影响着地幔岩石中亲铜元素及其稳定同位素，着眼于回答两个重要问题：1）为何亲铜元素在构造产出不同的地幔橄榄岩中，其含量和分异表现出显著不同；2）为何地幔橄榄岩及其岩浆产物中Cu同位素差异巨大。选取的研究对象主要包括：1）阿尔卑斯造山带橄榄岩地体中的地幔岩石（具亏损地幔特征）和2）中国汉诺坝新生代大陆玄武岩及其幔源橄榄岩和辉石岩包体（具富集地幔特征）。研究手段：1）准确测定Cu、Ag、S、Se、Te、Re等亲铜元素含量；2）测定Cu和Mg稳定同位素。

亲铜元素及Cu同位素被广泛应用于地幔岩浆分异演化和壳幔相互用等诸多地质过程，但其在地幔熔体迁移和熔岩反应过程中的地球化学行为仍不清楚。本项目建立了高精度、低含量、多元素同时分析的方法，对典型的造山带橄榄岩地体和地幔橄榄岩包体的Cu、Ag、Pb和Mo等亲铜元素和Cu同位素的测定，约束了这些亲铜元素及同位素在地幔硅酸盐熔体迁移过程中的地球化学行为。结果显示：1）上地幔岩浆结晶分异和熔体-橄榄岩反应虽然会造成铜银含量的巨大变化，但是铜银比值基本保持不变，因此上地幔和洋壳具有稳定的铜银比值。然而大陆上中下地壳的Cu/Ag比值低于地幔和洋壳7倍左右，造成这一差异的主要原因在于岩浆分异过程中硫化物固液相状态的变化导致铜银行为改变，进而使用Cu/Ag比值这一新指标提出弧岩浆分异过程中地壳深部硫化物堆晶是形成大陆地壳的重要环节。2）地幔橄榄岩具有极低的Mo含量，结合不同熔融程度形成岩浆的Mo/Ce比值，有效限定了上地幔的Mo含量 < 30 ng/g。3）在地幔岩石中Pb主要受控于硅酸盐相而不是硫化物，地幔硫化物不是主要的非放射成因Pb储库，需要其它未知的非放射成因Pb储库来解释硅酸盐地球Pb的悖论。4）硫化物分离结晶会对基性岩浆自身Cu同位素造成显著影响，岩浆与橄榄岩反应也会造成地幔Cu同位素组成的改变，因此，不需要地壳物质的循环加入，地幔自身演化也会造成铜同位素的显著不均一。5）岛弧玄武岩演化过程中Cu同位素不会显著变化，因此能够反映其源区特征。它们具有与亏损地幔和洋中脊玄武岩一致的Cu同位素，指示俯冲物质对地幔楔源区的Cu储库及Cu同位素组成的影响极为有限，交代地幔楔并不异常富集铜。