地質地球所發現一種示蹤“隱藏”古風化殼的新方法

　　在全球碳循環的研究中，硅酸鹽化學風化被認為是大氣CO2的一個重要匯。其中，玄武巖的分布面積盡管只有全球陸地表面積的5%，但其風化作用消耗的CO2占所有硅酸鹽風化作用消耗的1/3。大規模快速化學風化對氣候變化、海洋氧化、生態系統以及生物滅絕事件有直接或間接的影響。風化后的殘余物經埋藏、壓實和固結可形成“古風化殼”。研究古風化殼是重建古氣候以及預測未來氣候變化的關鍵所在，但這方面的研究鮮有報道。一是因為古風化殼常被新形成的火山巖和沉積物所覆蓋，難以獲取巖樣；二是因為古風化殼受后期地質作用改造，難以保存原來的信息。許多火山下部通常發育大量玄武質熔巖，上部則常伴有少量的中酸性巖石。理論上，這些上部晚期形成的中酸性火山巖在其巖漿上升和侵位過程中能夠記錄圍巖信息。因此，如果早期的玄武巖遭受風化作用形成古風化殼并被保存，那么晚期形成的火山巖應該能夠記錄這一古風化事件。

　　為了探究如何從晚期火山巖中找到古風化殼的信息，中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室博士后田恒次與其合作導師楊蔚等，對中國東北長白山火山巖（圖1）開展了詳細的Sr-Nd-Mg同位素研究。結果表明，造盾玄武巖的87Sr/86Sr = 0.70493–0.70506，143Nd/144Nd = 0.512584–0.512619以及δ26Mg = -0.41‰ ～ -0.34‰；相比之下，造錐粗面巖具有高且變化范圍大的87Sr/86Sr = 0.70490–0.71065和δ26Mg = -0.27‰ ～ +0.94‰，但與玄武巖相似的143Nd/144Nd = 0.512584–0.512656。

　　根據前人研究，造錐粗面巖是由造盾玄武巖經高程度分離結晶作用形成的。這一解釋與粗面巖虧損的Sr，P，Ti，Ba和Eu的微量元素特征和MELTS模擬結果相吻合。然而值得注意的是，這些粗面巖具有比玄武巖高的Sr和Mg同位素組成，但卻具有相似的Nd同位素組成。

　　通常情況下，分離結晶過程產生的Sr-Nd-Mg同位素分餾非常有限。結合MELTS模擬計算給出的結晶礦物相，該研究計算表明，從玄武巖（MgO = 8.2 wt.%）到粗面巖（MgO = 0.05 wt.%）的分離結晶過程中，熔體的δ26Mg從-0.3‰升高到+0.02‰。然而，這一理論計算值遠小于粗面巖Mg同位素實測值。研究人員詳細推導認為，這些粗面巖在形成過程中混染了早期玄武巖風化殼的成分。因為，玄武巖風化過程中，殘余物的Sr和Mg同位素會逐漸變重，而Nd同位素卻幾乎保持不變。AFC（assimilation and fractional crystallization）計算表明，早期的玄武巖必須經過強烈的化學風化才能滿足粗面巖如此重的Sr-Mg同位素特征。

　　根據前人研究，研究人員推測產生如此重δ26Mg（> +1.5‰）的風化殘余物，至少需要經歷4-5Mys的高強度風化。通過對長白山玄武巖分布的研究，這一強烈的風化事件很可能發生在中新世17-15 Ma。因為，這一時期中國東南部也處于溫暖潮濕的環境（氣溫>19℃/year，降雨量>165 cm/year）。隨后，由于南極東部冰蓋的擴張和格陵蘭冰蓋的形成，全球氣溫自15Ma以來逐漸變冷。這些早期經強烈風化的玄武巖殘余物也經歷了后期微弱的風化作用。基于此，研究人員提出了粗面巖形成模式：早期噴發玄武巖的古風化殼被后來的玄武巖覆蓋和保存，成為火山錐的一部分；隨著后續火山巖的繼續噴發，火山錐不斷增高，長大，巖漿房也在上升。巖漿房上升過程會同化火山錐內的圍巖，其中包括早期噴發玄武巖的古風化殼。

　　該研究提出了一種研究古風化殼的新方法：通過研究晚期形成的火山巖的Sr-Nd-Mg和主微量元素特征來探究早期的風化歷史。

　　研究成果發表于Chemical Geology。

　　 論文信息：Tian H C, Yang W, Li S G, et al. Approach to trace hidden paleo-weathering of basaltic crust through decoupled MgSr and Nd isotopes recorded in volcanic rocks[J]. Chemical Geology, 2019, 509: 234-248. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2019.01.019。