锇和铅同位素揭示了德国拉赫湖火山灰的岩浆演化过程及地幔物质来源特征

《Chemical Geology》：Osmium and lead isotope insights into the magmatic evolution and mantle source characteristics of the Laacher See Tephra, Germany

锇同位素与铅同位素揭示拉赫塞火山岩浆演化机制，采用新型分离法处理低含量锇样品，发现玄武岩母体锇同位素比值为0.131±0.035（2SE），岩浆分异过程中存在 evolved melt 与 mafic recharge 混合，且铅同位素比值（平均206Pb/204Pb=18.993±0.015）显示地幔源区特征，证实该火山作用源于EMII型富集地幔熔融，并受大陆 crust 污染影响。

　　

Siddhartha Bharadwaj | Gerhard W?rner | Mukul Sharma

放射性同位素地球化学实验室，地球科学系，达特茅斯学院，汉诺威，NH 03755，美国

摘要

由于锇（Os）具有亲铁性，在高度分化的岩浆中其含量较低，因此最近喷发的碱性熔岩中的锇同位素可能揭示复杂的岩浆过程。相比之下，碱性熔岩中高浓度的铅（Pb）使其相对不受大陆地壳的污染影响，并有助于限制地幔源的成分。我们报告了Laacher See火山喷发产生的流纹岩火山灰（LST）、一种火山碎屑岩以及一种玄武岩的锇和铅同位素数据，这些样本被认为与Laacher See火山的原始熔体相似。LST中的锇浓度范围为1.3 pg/g至24 pg/g，¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比值介于0.328至0.538之间，且LST喷发的三个阶段之间没有明显的相关性。相比之下，铅同位素比值在三个阶段中相当均匀（平均²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = 18.993 ± 0.015，n = 9）。一个混合了更原始熔体的流纹岩样本来自LST岩浆系统的最深层，其¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比值（= 0.295）和²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb比值（=18.962）略低。然而，通过HF-HBr消化从三种不同玄武岩样品中提取的硅酸盐中的锇显示出高度变化的¹⁸⁷Os/¹⁸⁸比值（= 0.210、0.306和0.521），这些比值涵盖了整个LST的范围，可能反映了演化熔体与更基性的玄武岩物质之间的混合。对这些样本进行线性回归分析后得出，原始熔体的¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比值为0.131±0.035（2SE）。根据LST及其他东艾菲尔火山场（East Eifel Volcanic Field）熔岩的数据，我们估计¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os比值为4.02 ± 0.01（n = 34）。我们得出结论，LST的岩浆作用是由富集型地幔（EM-II型）的熔化引起的，即使在从源区输送到地表的过程中，最原始的玄武岩熔体也受到了锇同位素组成的污染。本研究展示了我们的顺序溶解程序，该程序能够全面分析锇含量较低的熔岩。

引言

在大陆板块内部环境中，高度演化且富含挥发物的碱性熔岩的起源一直是研究的活跃课题，其主要目标有两个：i) 理解开放系统过程（如地壳吸收、岩浆分化过程中的岩浆补给）的作用；ii) 推断地幔源的性质，这些地幔源可能从交代变质的次大陆岩石圈地幔（SCLM）到软流圈（包括浅层岩浆柱）不等（参见Gannoun等人，2016年及其中的参考文献；Wang等人，2016年；Rasoazanamparany等人，2021年；Jansen等人，2024年）。与海洋环境中的熔岩不同，大陆板块内部的熔岩和火山灰在上升过程中会遇到厚厚的、热化学性质复杂的大陆岩石圈。这意味着这些岩浆容易受到大陆地壳和/或岩石圈地幔的吸收作用，从而掩盖了其原始来源的特征。因此，评估地壳/岩石圈吸收的程度成为研究大陆内部熔岩的岩石学和地球化学的关键方面。在这方面，锇同位素是追踪地壳吸收的强大工具，因为大陆地壳的平均¹⁸⁷Os/¹⁸⁸比值（约1.1；Peucker-Ehrenbrink和Jahn，2001年）与原始上地幔的比值（= 0.1296；Meisel等人，2001年）有显著差异。这是由于锇在部分熔化过程中的行为与铷（Re）不同，导致大陆地壳的Re/Os比值比贫瘠的上地幔高10-100倍，从而使得¹⁸⁷Os/¹⁸⁸比值随时间增加约十倍（例如，Hauri，2002年）。这使得¹⁸⁷Re-¹⁸⁷Os同位素系统比基于亲铁元素的同位素系统（如U-Pb、Rb-Sr、Sm-Nd）更具优势，因为后者可能无法检测到高达15-20%的地壳污染（例如，Gannoun等人，2016年及其中的参考文献；Ahmadi等人，2025年）。事实上，锇同位素已被成功用于描绘不同大陆内部地点熔岩形成过程中地壳吸收的作用和程度（例如，Jung等人，2011年；Chu等人，2013年；Li等人，2015年；Gannoun等人，2015年；Hopkins等人，2016年），或者用于确定来自次大陆岩石圈地幔的洪流玄武岩的来源（Molzahn等人，1996年）。多项研究表明，与Sr-、Nd-和Pb-同位素比值相比，¹⁸⁷Os/¹⁸⁸比值对混合污染物的扰动更为敏感。在岩浆分化和上升通过岩石圈地幔、地壳和火山构造的过程中，熔岩可能会吸收“外来”的锇。在这项关于德国艾菲尔火山场（Eifel Volcanic Field）Laacher See火山喷发产物的研究中，我们利用低锇含量的流纹岩及其基性原始熔体的锇同位素测量，利用¹⁸⁷Os/¹⁸⁸的高灵敏度来追踪地幔岩浆源、“低水平”污染以及碱性大陆岩浆系统中的成分变化，这些变化使用其他同位素系统可能无法检测到。然而，这类大陆内部碱性熔岩的锇含量通常很低——只有几十pg/g或更低（例如，Widom等人，1999年；Hopkins等人，2016年）。因此，同样的污染敏感性也可能由人为因素在样品制备和处理过程中引起（例如，Eisele等人，2002年；Bharadwaj和Sharma，2024年）。因此，在解释这类熔岩的全岩锇同位素数据以推断原始岩浆信号时必须谨慎。为了解决这个问题并确保测量的可靠性，我们采用了一种新的方法来测量年轻火山岩中的锇（Bharadwaj和Sharma，2024年），该方法首先用酸性溴化物溶液浸出样品以去除表面污染物，然后从整体残渣和硅酸盐残渣中含有的任何锇质难熔颗粒中依次提取锇。

艾菲尔火山场（Eifel Volcanic Field）属于中欧火山省（CEVP），在过去几十年中，该地区的多个火山中心成为了研究碱性熔岩及相关地幔捕虏体的岩石学和地球化学的理想场所，有助于理解岩浆的形成和SCLM的地球化学复杂性（例如，W?rner等人，1986年；Wilson和Downes，1991年，Wilson和Downes，2006年；Schmidt和Snow，2002年；Witt-Eickschen和Kramm，1998年；Witt-Eickschen，2003年；Jung等人，2005年，Jung等人，2011年，Jung等人，2013年；Mayer等人，2013年，Mayer等人，2014年，Mayer等人，2018年，Jansen等人，2024年）。在CEVP内，位于德国东艾菲尔火山场（EEVF）的Laacher See火山在13,006 ± 9校正年前（Reinig等人，2021年）分三个阶段爆发，形成了Laacher See火山灰（LST）序列。LST的岩石学和地球化学特征已被广泛研究，以揭示其岩浆演化过程（例如，W?rner和Schmincke，1984a，W?rner和Schmincke，1984b，W?rner等人，1985年，W?rner等人，1987年；Harms和Schmincke，2000年；Huang等人，2016年），成为理解大陆内部环境中富含挥发物的碱性熔岩形成的典范。最近，LST的喷发前历史以及岩浆补给事件也通过橄榄石和透长石等晶体的扩散剖面和玻璃中微量元素浓度的变化得到了研究（例如，Schmitt，2006年；Schmitt等人，2010年；Rout和W?rner，2018年，Rout和W?rner，2020年；Sundermeyer等人，2020年；Tomlinson等人，2020年）。

在这里，我们展示了使用我们的新方法（Bharadwaj和Sharma，2024年）获得的锇同位素数据，以及来自Laacher See火山喷发三个阶段的流纹岩样品的高精度铅同位素数据。我们还分析了一种代表流纹岩潜在原始熔体的玄武岩样本和来自附近Niedermendig地区的中间火山碎屑岩样本。这是首次关于LST的此类数据集。我们将这项研究中的锇和铅同位素数据与已发表的地球化学和同位素数据结合起来，对LST岩浆演化过程中发生的开放系统过程提出了新的限制。最后，我们结合EEVF内其他地点的玄武岩数据，讨论了假设的原始玄武岩的地幔源性质。

东艾菲尔火山场

德国西部的第四纪EEVF地区包含约100个火山中心，位于由泥盆纪板岩、砂岩和碳酸盐岩组成的莱茵盾（Rhenish Shield）上（Schmincke，2007年）。该地区的火山活动始于约0.46百万年前，最初产生了霓辉岩、透长岩和流纹岩，随后向EEVF的中部和东南部迁移，形成了较年轻的玄武岩和火山碎屑岩火山（0.4 - 0.01百万年前）（Schmincke，2007年及其中的参考文献）。

锇分离化学

用于测量锇同位素的新方法的详细信息见其他文献（Bharadwaj和Sharma，2024年）。简而言之，首先将约1克的岩石粉末用酸性溴化物溶液（0.06M liq. Br₂在1M HBr中）浸出，以去除颗粒表面的污染物。然后按重量分取一部分浸出液，并加入¹⁹⁰Os示踪剂后干燥。干燥后的样品再次用100 μl HBr溶解并再次干燥。接着加入3克Br₂（液态）和1毫升冷却纯化的...

锇数据

本研究中分析的所有样品的锇同位素数据及浓度见表1，并在图2中展示，简要描述如下：“步骤I”指酸性溴化物浸出后从残渣中回收的锇；“步骤II”指步骤I后（逆王水消化）从硅酸盐残渣中回收的锇。

讨论

在本节中，我们首先检查了E41 Rothenberg玄武岩（假设为原始熔体）的样品内部异质性，以确定其初始的锇同位素组成。然后我们扩展了W?rner和Schmincke（1984a）以及W?rner等人（1985年）提出的三阶段分化模型。结合现有的同位素和地球化学数据，讨论了岩浆演化过程中发生的开放系统过程。

结论

我们使用新的方法（Bharadwaj和Sharma，2024年）获得了锇同位素数据，并提供了LST三个阶段的铅同位素组成以及来自附近Niedermendig的火山碎屑岩和Rothenberg岩脉中的玄武岩样本的数据。我们发现玄武岩样本表现出样品内部的锇同位素异质性，其中步骤II的¹⁸⁷Os/¹⁸⁸比值介于0.2104至0.5209之间，这可能是由于掺入了来自不同批次、污染程度不同的晶体相所致。

CRediT作者贡献声明

Siddhartha Bharadwaj：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Gerhard W?rner：资源提供。Mukul Sharma：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，资源管理，项目协调，方法学，调查，资金获取，正式分析，概念化。

未引用的参考文献

Blichert-Toft等人，2010年

Bohrson和Spera，2001年

Jamais等人，2008年

Lloyd和Bailey，1975年

Paul等人，2003年

Rocholl和Jochum，1993年

Saal等人，1998年

Turner等人，2017年

Walker，2016年

Wipperfurth等人，2018年

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Yuri Amelin与我们分享了使用磷酸和胶体硅胶加载PbNO₃溶液的详细方法。Brenhin Keller向我们展示了普林斯顿大学用于加载和加热Pb样品的技术。我们感谢两位匿名审稿人提供了详细且有洞察力的评论，这些评论有助于改进手稿。Pb同位素的测量得到了NSF（项目编号OPP-1417395）的支持，用于开发高灵敏度的锇同位素测量技术。