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深层含水地幔储层为33亿年前的地壳再循环提供了证据

自然体积571，页面555 - 559 (2019）引用本文

主题

摘要

水强烈地影响着地幔的物理性质，增强了地幔的熔融或对流能力。它的存在也可以用来追踪地表储层的循环，直到地幔深处1这使得了解地球内部的含水量及其演变对于理解全球地球动力学至关重要。科马提岩(富含mgo的超镁铁质岩浆)是在高压下地幔高度熔化形成的2因此，它们是探测深层地幔化学成分和含水量的极好方法。最近在加拿大27亿年前的科马提岩中最富镁橄榄石的熔体包裹体中发现，在地幔融化过程中，在表现出类似地球化学行为的元素(例如铈)上存在过量的水3.和津巴布韦4．这些数据被认为是新太古代(28至25亿年前)深层含水地幔储层的证据，可能是过渡带。在这里，我们通过测量这些熔体包裹体中的氘与氢的比例来确认这种水的地幔来源，并提供了来自Barberton绿岩带的33亿年前的科马提岩的类似数据。从氢同位素比值来看，这些熔体的地幔源含有过量的水，这意味着至少从古太古代时代(36 - 32亿年前)开始，地球内部就存在一个深层含水地幔储层。重建的科马提岩的初始氢同位素组成比地表储层或典型地幔的氘更少，但类似于海洋地壳最初被海水改变，然后在俯冲过程中脱水。再加上科马提岩的地幔源中氯的过量和铅的耗尽，这些结果表明，海水改变的岩石圈循环进入深部地幔，可以说是在33亿年前通过俯冲开始的。

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图1:橄榄石斑晶中玻璃和熔体的组成。
图2:H2科马提岩熔体包裹体和寄主橄榄石的O含量和H同位素组成。
图3:归一化到原始地幔的高镁橄榄石斑晶中困熔体中不相容微量元素的模式。
图4:科马提岩地幔源组成和其他地球储集层的时间演化。

数据可用性

本文中使用的所有数据均包含在已发表的文章中补充信息，并将提交给EarthChem (https://doi.org/10.1594/IEDA/111310)及ResearchGate (https://www.researchgate.net/profile/Alexander_Sobolev)数据库。欢迎读者对这份报纸的网络版发表评论。

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    谷歌学者

下载参考

确认

我们感谢S. Krasheninnikov在熔体夹杂物加热方面的帮助，感谢V. Magnin在ISTerre的EPMA设施方面的帮助，E. Füri与我们分享参考合成橄榄石和潜在的H .2无o Suprasil 3002石英玻璃，C. Bucholz和V. Polyakov就橄榄石中氢扩散的同位素效应进行磋商。实地考察、出差、参加会议、样品制备和实验研究均由俄罗斯科学基金会资助。14-17-00491(给A.V.S.)。对ISTerre EPMA设施的分析工作由Labex OSUG@2020 (Investissements d 'avenir-ANR10 LABX56)和法国大学研究所负责。CRPG (Nancy，法国)的SIMS分析费用由INSU-CNRS向A.V.S.提供的拨款支付，Vernadsky研究所的加热设备的维修部分由俄罗斯基础研究基金会拨款17-05-00856a(给A.V.S.)支付。论文修订期间的额外研究和出版费用由Richard Lounsbery基金会资助给A.V.S和E. Gazel。这是CRPG捐献号。2702.

审核人信息

自然感谢Claude Herzberg和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

作者信息

作者及隶属关系

  1. Université格勒诺布尔阿尔卑斯山，Université萨瓦勃朗峰，地球科学研究所(ISTerre)， CNRS, IRD, IFSTTAR，格勒诺布尔，法国

    亚历山大V.索博列夫，尼古拉斯T.阿恩特和瓦伦蒂娜G.巴塔诺娃

  2. 俄罗斯科学院沃尔纳德斯基地球化学和分析化学研究所，莫斯科，俄罗斯

    Alexander V. Sobolev, Evgeny V. Asafov, Valentina G. Batanova和Maxim V. Portnyagin

  3. 法国研究中心Pétrographiques et Géochimiques (CRPG)， Université de Lorraine, Vandœuvre-lès-Nancy

    安德烈·a·古伦科

  4. 基尔GEOMAR Helmholtz海洋研究中心，基尔，德国

    马克西姆·v·波特尼亚金

  5. 中国科学院基尔大学地球科学研究所，基尔，德国

    迪特尔Garbe-Schonberg

  6. 金山大学地球科学学院，南非约翰内斯堡

    艾伦·威尔逊

  7. 路易斯安那州立大学地质与地球物理系，美国洛杉矶巴吞鲁日

    加里·r·拜利

作者
  1. 亚历山大·v·索博列夫
    查看作者出版物

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  2. Evgeny V. Asafov
    查看作者出版物

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  3. 安德烈·a·古伦科
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  4. 尼古拉斯·t·阿恩特
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  5. 瓦伦蒂娜·g·巴塔诺娃
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  6. 马克西姆·v·波特尼亚金
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  7. 迪特尔Garbe-Schonberg
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  8. 艾伦·威尔逊
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  9. 加里·r·拜利
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贡献

A.V.S.设计了研究，参与了样本收集、数据处理和解释，并撰写了论文。e.v.a参与样品采集，发现并制备橄榄石中的熔体夹杂物，进行EPMA和SIMS分析，并参与数据处理和解释。A.A.G.指导SIMS分析并参与数据解释。nta和a.h.w主导了现场工作和样本收集，并参与了数据解读和论文的撰写。V.G.B.指导EPMA分析并管理ISTerre的EPMA设施。M.V.P.进行了激光消融ICP-MS分析，并参与了数据解释和论文的撰写。D.G.-S。管理激光消融ICP-MS分析。G.R.B.引导样本采集。所有作者都讨论了结果、问题或方法，并参与了论文的准备工作。

相应的作者

对应到亚历山大·v·索博列夫．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有利益竞争。

额外的信息

出版商的注意:施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

扩展数据图1样本位置。

一个， Barberton绿岩带西半部概括地质图(参考文献后修改)。43）.b，采样区域的现场局域性(锯磨区，Weltevreden地层;参考后修改。35）.

图2研究的橄榄石含熔体包裹体。

来自3.3 gyr老Weltevreden komatiites的橄榄石包裹体(样品1521)。一个未处理，部分结晶的熔融夹杂物中含有斜辉石、玻璃和收缩气泡。b- - - - - -f，淬火实验后的玻璃状熔体夹杂物(见方法)：b，c而且d含有收缩气泡;d由于熔体中MgO含量非常高(>26 wt% MgO)，含有精细的橄榄石刺状结构;e而且f，均质熔体夹杂物;f，本研究报告的1521-9h熔体夹杂物。

扩展数据图3 SIMS分析标准的校准。

一个H2O刻度线获得的系列参考玻璃标准(见方法及补充资料表4 a、b)用于计算H2样品的O含量。b，c， IMF与Al的相关线2O3.和H2O含量分别为。IMF与H2O和Al2O3.内容(p< 0.002,R2≈0.75;方程(2)，方法)用于校正所分析材料的基体效应。R，相关系数。

图4参考玻璃的IMF和δD的再现性。

一个，在分析过程中，参考眼镜的IMF与计算值的偏差。有数字的线表示线性相关，相关系数为(R2）.b，参考镜的IMF与计算值在分析时间内的偏差，以校正中所见的明显漂移一个．c，在分析时间内，参考玻璃的δD与接受值的偏差，经表观漂移校正。面板b而且c非常相似但又不相同。灰色阴影区域，两个标准误差;绿色阴影区域，包含分析的时间间隔。误差条，两个标准误差。

图5 Weltevreden科马提岩橄榄石中H同位素组成与熔体包裹体大小显著相关。

夹杂物1521-ol12(未显示)被排除为尺寸异常值(120 μm)。

图6初始H .的重构2熔体夹杂物中O含量。

一个,艾尔。2O3.Weltevreden科马提岩橄榄石中熔体与MgO的比较。1521试样的氧化铝含量明显遵循初始科马提石熔体的橄榄石结晶路径32．b，未校正(开圈)和校正(填圈)首字母H2熔体夹杂物O含量。校正后的首字母H2熔体包裹体O含量在各样品中遵循橄榄石结晶轨迹。所有错误条都报告为1σ．ol,橄榄石。

图7 Weltevreden科马提岩熔体包裹体初始δD计算值与主橄榄石测量值的相关性。

使用Isoplot 3.75软件获取44．虚线对应最佳拟合，红线为95%置信水平回归线的误差包络线。R， Pearson相关系数。误差条对应2σ．一个，所有23个包体的相关性。标记为红色的符号表示未因扩散而发生明显H损失的夹杂物。这些包含符合误差内的相关性。标记为蓝色的包含物是明显的异常值，不符合相关性。b， 20个包含的相关性，其中3个异常值(在中用蓝色标记)一个)过滤掉。虚线大圈表示与Weltevreden科马提岩中最富镁橄榄石(Fo 96 mol%)有关的熔体初始δD的估计。另一个大圆圈对应于1523号样品(橙色轮廓)、1522号样品(绿色轮廓)和测得的大多数富镁橄榄石(Fo > 95±0.1,mol%)熔体包裹体和主橄榄石的平均初始δD(红色轮廓)。

补充信息

补充表

该文件包含补充表1-4。

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索博列夫，a.v.，阿萨福夫，e.v.，古伦科，A.A.et al。深层含水地幔储层为33亿年前的地壳再循环提供了证据。自然571， 555-559(2019)。https://doi.org/10.1038/s41586-019-1399-5

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