Geology：俯冲带氮循环

地刊速览 · 公众号 · · 2024-11-11 14:04

主要观点总结

文章关于《地质学》杂志发表的一篇研究马里亚纳汇聚边缘蛇纹岩海山氮含量及其同位素特征的文章。研究发现蛇纹石化地幔楔可能是全球重要的氮储库，对理解俯冲带氮循环和深部地幔氮输入有重要意义。

关键观点总结

关键观点1: 研究发现蛇纹岩海山的氮含量相对于原岩有所富集。

研究人员通过地质钻探获得的样品发现，马里亚纳俯冲带的两个蛇纹岩海山的氮含量相较于可能的原岩都表现出明显的富集现象。

关键观点2: 氮浓度与氮同位素值呈正相关。

研究结果显示，蛇纹石化橄榄岩的氮浓度和δ 15 N值之间存在正相关关系，这可能表明含氮流体的渗入程度影响了氮的富集。

关键观点3: 蛇纹石化地幔楔被认为是全球重要的氮储库。

研究指出，蛇纹石化的地幔楔在俯冲过程中可能将重氮同位素输送到更深部，暗示其作为全球重要氮储库的角色。

关键观点4: 对俯冲带氮循环的影响。

研究认为蛇纹石化作用不仅改变了地幔楔的岩石学和地球化学特征，还可能影响了俯冲带的元素循环，包括氮循环。此外，含氮流体在地幔楔的蛇纹岩化过程中起着关键作用。

正文

【导读】 近日《地质学》发表文章，分析了马里亚纳汇聚边缘两个蛇纹岩海山的氮含量及其同位素特征，发现所有样品相较于可能的原岩都富集氮，且氮浓度与氮同位素值呈正相关，暗示含氮流体的影响。研究表明蛇纹石化地幔楔可能是全球重要的氮储库，该储库可为弧下及更深部提供大量重氮同位素，这对于理解俯冲带氮循环和深部地幔氮输入具有重要意义。

俯冲带是地球板块构造中重要的组成部分，是大洋板块潜入大陆板块或其他大洋板块之下的区域。在俯冲过程中，下沉的板块会释放出大量流体，这些流体与上覆的地幔楔（mantle wedge）发生相互作用，导致地幔楔发生蛇纹石化（serpentinization）。蛇纹石化作用不仅改变了地幔楔的岩石学和地球化学特征，还可能影响俯冲带的元素循环，包括氮循环。

俯冲带的氮循环是一个复杂的过程，涉及到多种氮的来源、迁移和转化。之前的研究表明，海底沉积物和蚀变洋壳是俯冲带重要的氮来源。然而，这些氮是如何进入地幔楔，以及蛇纹石化的地幔楔在氮循环中扮演什么角色，仍然不清楚。

图1 马里亚纳弧前地区的测深区域图（插图左）和局部地图（右）

本研究的重点是马里亚纳俯冲带的两个蛇纹岩海山：南查莫罗海山（South Chamorro）和科尼卡海山（Conical），海洋钻探计划ODP第195和125航次）的样品。研究人员通过分析从这两个海山采集的蛇纹石化橄榄岩、蛇纹石泥和变质玄武岩碎屑的氮浓度和氮同位素组成（δ ¹⁵ N），来探讨氮的来源和富集机制。

研究发现，与原始的超镁铁质和镁铁质岩石相比，所有样品中的氮都显著富集。蛇纹石化橄榄岩的氮浓度和δ ¹⁵ N值之间存在一定的正相关关系，这可能反映了含氮流体渗入的程度。混合计算表明，这些流体的来源可能是俯冲太平洋板块脱水的变质沉积物和/或蚀变洋壳。这种氮的添加与其他流体活动性元素（如硼、锂、砷和铯）的富集相一致，但它们的浓度与氮的浓度没有明显的相关性。值得注意的是，变质玄武岩碎屑的δ ¹⁵ N值变化范围较大，最高值达到+11.6‰，是迄今为止报道的蚀变洋壳的最高值。

图2 氮含量与同位素组成

这项研究表明，蛇纹岩化的地幔楔可能是全球重要的氮储库。如果这些蛇纹石化的岩石被俯冲到更深处，它们可以将同位素较重的氮输送到俯冲带深处甚至更深的地幔。这对于理解俯冲带的氮循环以及深部地幔的氮输入具有重要意义。此外，研究结果也表明，海底沉积物和蚀变洋壳是俯冲带重要的氮来源，含氮流体在地幔楔的蛇纹岩化过程中起着关键作用。

图3 将蛇纹石化橄榄岩中元素的平均浓度与非蛇纹石化的橄榄岩浓度进行比较

图4 马里亚纳弧前和氮（N）系统的模式图

参考文献 ： Juan Felipe Bustos-Moreno , Gray E. Bebout , Ivan P. Savov; Nitrogen (N) and its isotopes in serpentinized forearc wedges and implications for N cycling across subduction zones. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52492.1

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