1、冲绳海槽热液绿泥石沉积物的Mg同位素组成及对海洋Mg循环的指示意义邵和宾1*,杨守业2,董爱国3,胡忠亚21.中国极地研究中心(中国极地研究所),自然资源部极地科学重点实验室,上海 200136;2.同济大学海洋地质学国家重点实验室,上海 200092;3.中国地质大学(北京)地球科学学院,北京 100083*通讯作者,E-mail: 通讯作者,E-mail:收稿日期:2022-05-29;收修改稿日期:2022-08-17;接受日期:2022-09-26;网络版发表日期:2023-02-22国家自然科学基金项目(批准号:41806229、41730531、41991324)资助摘要富镁(Mg
2、)次生黏土矿物是海底热液过程中水-岩反应的重要产物,广泛存在于全球的海底热液系统中,从而在海洋Mg循环中发挥着重要作用.然而,目前对Mg在该类型矿物中的富集程度和Mg的同位素分馏,特别是对产生在弧和弧后盆地中-高温(100300)热液系统的次生黏土矿物尚缺乏足够的认识.本研究以国际大洋钻探计划(IODP)331航次在冲绳海槽中部Iheya North Knoll热液区获得的富热液绿泥石沉积物、火山浮岩和陆源碎屑沉积物为研究对象,分析了其中的Mg含量和Mg同位素组成,并结合前期矿物学、主微量元素组成和Nd同位素组成的相关研究,系统探讨了绿泥石中Mg的来源和中-高温热液蚀变过程中Mg的同位素地球化
3、学行为.研究表明,矿物学组成的差异决定了Mg同位素组成的变化,硅酸盐矿物的Mg同位素比值要高于碳酸盐和氧化物/氢氧化物的比值.Mg同位素在中-高温热液蚀变过程中发生显著分馏,其分馏程度(26Mg)在0.150.71,并与温度存在负相关关系.这进一步表明,较重的Mg同位素更容易被次生的绿泥石矿物所吸收.结合弧和弧后盆地在全球海洋中的分布范围,推断该构造类型中的热液系统是海洋Mg的重要汇,约占全球河流输入Mg通量的814%.虽然热液系统中绝大数的Mg被次生黏土矿物吸收,但仍然有少量的Mg残留在孔隙水和喷出的热液流体中.因为Mg同位素的分馏作用,较轻的Mg同位素留在了流体中,但该部分的通量尚需要更多
4、的案例研究来澄清.关键词热液蚀变,绿泥石,冲绳海槽,镁(Mg)同位素,IODP1引言镁(Mg)在海水中的含量仅次于钠离子,排在第二,在全球物质循环中占据着重要地位.当今海洋中的Mg处在一个相对稳定的状态(Ling等,2011;Teng,2017).海洋Mg的主要来源是河流和地下水的输入,海底的构造活动和基岩的风化作用也有少量贡献(Mottl和Wheat,1994;Tipper等,2006,2012;Higgins和Schrag,中文引用格式:邵和宾,杨守业,董爱国,胡忠亚.2023.冲绳海槽热液绿泥石沉积物的Mg同位素组成及对海洋Mg循环的指示意义.中国科学:地球科学,53(3):628643
5、,doi:10.1360/N072022-0164英文引用格式:Shao H,Yang S,Dong A,Hu Z.2023.Magnesium isotopes of chlorite-rich hydrothermal sediments in the Okinawa Trough and indications for Mgcycle.Science China Earth Sciences,66(3):648662,https:/doi.org/10.1007/s11430-022-1012-4 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:628 64
6、3SCIENTIA SINICA T论 文2015).海洋Mg主要的汇包括白云岩化,以及热液蚀变作用(Tipper等,2006;Higgins和Schrag,2015;Li等,2015;Shalev等,2019).含Mg碳酸盐通常富集较轻的Mg同位素(Higgins和Schrag,2010;Li等,2015),而在硅酸盐矿物的热液蚀变过程中,Mg的富集程度及其同位素分馏仍存在一些尚未解决的问题(Schauble,2011;Wimpenny等,2014;Higgins和Schrag,2015;Huang等,2018;Eom等,2020;Santiago Ramos等,2020).据前人研究,洋中
7、脊两侧的低温热液(300)系统中,流体中的Mg被次生矿物全部吸收,不存在Mg同位素的分馏(Alt,1995;Elderfield和Schultz,1996;Coogan和Dosso,2012).然而,与低温和高温热液系统相比,中-高温热液蚀变(100至300)过程中Mg同位素的地球化学行为,特别是在弧和弧后盆地(ABA)热液系统尚未得到足够的认识(Hannington等,2005).Eom等(2020)研究表明,在西太平洋的中-高温海底热液系统中,喷出流体中Mg的浓度比海水低得多,而Mg同位素组成也明显比海水低(Ling等,2011),表明这类系统中流体的Mg可能未被次生黏土完全移除.因此,在
8、研究全球海洋Mg循环的过程中,应考虑喷出流体的贡献.近年来,少量关于中-高温水-岩反应的实验研究表明较重的Mg同位素优先富集在次生黏土矿物中(Ryu等,2016;Voigt等,2020).相比之下,Mg同位素在自然界中-高温热液系统中的行为尚不清楚.长英质硅酸盐矿物通常主要由贫Mg矿物组成,而富含Mg的黏土矿物(如绿泥石)却在中-高温长英质基岩热液系统中广泛存在(Lackschewitz等,2000,2004;Miyoshi等,2015;Shao等,2015).由于母岩中的Mg含量很低,长英质基岩的热液系统成为研究海水Mg进入次生黏土矿物过程中Mg同位素地球化学行为的理想对象.位于冲绳海槽中部
9、的Iheya North Knoll热液区是一个典型的长英质基岩环境(Hannington等,2005;Ishi-bashi等,2015).根据国际大洋钻探计划(IODP)331航次报告中对C0013和C0014站位地球化学和矿物学特征的描述(Expedition 331 Scientists,2011),热液蚀变的沉积物中含有大量(高达70vol.%)绿泥石,Mg含量为1020wt.%.富绿泥石的热液沉积物主要来自火山浮岩碎屑(长英质)的蚀变,其母岩的矿物组成以钠长石为主,且Mg含量平均只有0.01wt.%(Shao等,2015;Shao等,2017).在本论文中,我们分析了这些富绿泥石沉积
10、物的Mg同位素组成,旨在:(1)确定富绿泥石沉积物中Mg的主要来源;(2)量化中-高温长英质基岩热液系统中Mg同位素的分馏程度;(3)揭示ABA中-高温热液系统在海洋Mg循环中的重要性.2地质环境冲绳海槽是位于欧亚大陆东部边缘的琉球海沟-弧系统的一个弧后盆地,在九州岛和台湾岛之间,延伸约1200km(Lee等,1980;Sibuet等,1998)(图1).宽度在北部约为230km,南部为60100km,北部和南部的最大水深分别为200和2300m(Letouzey和Kimura,1986).海槽存在明显的断裂构造和强烈的岩浆作用,并且自大约2Ma以来一直在活动(Lee等,1980;Letouz
11、ey和Ki-mura,1986).与西太平洋的其他ABA不同,冲绳海槽缺乏大洋岩石圈,其陆壳仍处于ABA形成的初级阶段,厚度比典型的陆壳薄(Ishikawa等,1991;Oshida等,1992).地震反射数据表明,地幔(在海底以下约6000m处)被年轻的玄武岩(在约30006000m深度)、火成岩(在约10003000m深度)和厚度达1000m的沉积物所覆盖(Expedition 331 Scientists,2011).自Halbach等(1989)首次报道冲绳海槽存在热液活动以来,至少有九个活跃的热液区被发现,分别是:Daiyon-Yonaguni Knoll、Hatoma Knoll、
12、Irabu Knoll、Izena Hole-Hakurei、Izena Hole-Jade、Iheya Ridge-Clam、Yoron Hole、Iheya North Knoll、Minami-Ensei Knoll(Ishibashi等,2015).Iheya North Knoll(274750N,1265380E)热液区在1995年的调查中首次被发现(Momma等,1996),其位置在冲绳岛西北约150km处,中间存在一个海底峡谷,称为“中央裂谷”(Expedition 331 Scientists,2011;Ishibashi等,2015)(图1).根据地球物理调查和海底观测结果
13、,发现中央裂谷被丰富的火山碎屑与少量细颗粒沉积物交错层覆盖.与大洋中脊不同,这一区域的海底还被厚厚的半深海沉积物覆盖.大多数热液喷口位于中央裂谷的西部,包括North Edge烟囱(NEC)、Event18烟囱(E18)、North Big烟囱(NBC)、Central Big中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期629Chimney烟囱(CBC)、High Radio-activity喷口(HRV)、Ese South Big烟囱(ESBC)、South Big烟囱(SBC)等(图1).从NBC喷出的流体温度可以达到310.IODP 331航次在Iheya North Knol
14、l共开展了五个站位的调查和取样,分别是:NBC热液喷口和硫化物-硫酸盐丘(C0016);NBC以东有三个站位,距离喷口分别为约100m(C0013)、约450m(C0014)和约1550m(C0017);NBC西北约600m处的站位为C0015,该处存在热液流体可能的迁移路径(Expedition 331 Scientists,2011;Tsuji等,2012).C0016、C0013和C0014位于热液蚀变区(即发生强烈水-岩反应的区域),而C0017则位于热液补给区.热液蚀变区的沉积序列为多金属硫化物和硫酸盐(无水石、重晶石)到次生黏土矿物以及硅化火山角砾(Expedition 331 S
15、cientists,2011;Kawagucci等,2013;Miyoshi等,2015;Takai等,2015;Shao等,2017).C0014站位的沉积物厚度约80m,是火山碎屑沉积物与半深海沉积物、热液富绿泥石沉积物的交错层.相比之下,C0013站位主要由热液蚀变和分层较差图 1研究区位置及站位分布图(a)研究区地理位置;(b)冲绳海槽IODP 331航次钻探站位分布的平面图;(c)钻探站位分布的剖面图和热液流体在海底可能的运移模式(改自Expedition 331 Scientists(2011)和Shao等(2015,2017)邵和宾等:冲绳海槽热液绿泥石沉积物的Mg同位素组成及对
16、海洋Mg循环的指示意义630的浮岩碎屑组成,其特点是重复出现低孔隙度(5%)的硬质层(例如,02、710和2030mbsf)(其他层的孔隙度约为60%)(Expedition 331 Scientists,2011).在C0014站位也发现了类似的硬质层,其孔隙度与C0013站位相似.在补给区(C0017站位)没有发现明显的热液蚀变作用,主要是陆源碎屑沉积物,而在底部(约150mbsf)发现有少量轻微蚀变的黏土(Shao等,2015).C0015站位主要包含浮岩角砾、砂质火山岩碎屑、半深海沉积物和生物碎屑.关于这些站位沉积物样品的详细信息可参阅IODP 331航次报告(Expedition 331Scientists,2011)和Shao等(2017).3样品和方法3.1样品选择在站位C0013、C0014、C0015和C0017的样品中共选取了13个样品进行Mg同位素分析.在C0013(n=6)和C0014(n=2)站位中选择了8个富绿泥石沉积物样品,代表热液蚀变沉积物;在C0015站位选择了两个火山浮岩样品(Pumice-1和Pumice-2),作为富绿泥石沉积物的母岩样品.C00
