Оценки количества воды транспортируемой субдуцирующими плитами Пелагические осадки

Оценки количества воды транспортируемой субдуцирующими плитами. Пелагические осадки транспортируют 0, 7 × 1011 kg/year. Океаническая кора 8 × 1011 kg/year. Общее количество воды транспортируемой в мантию 8, 7 × 1011 kg/year Количество воды покидающее мантию в результате процессов островодужного вулканизма и вулканизма срединно-океанических хребтов составляет 1, 4 × 1011 kg/year и 0, 6 × 1011 kg/year соответственно.

Под главными элементами понимаются элементы, которые являются существенной составной частью породообразующих минералов. Существенной частью минералов верхней мантии (оливин, пироксен, гранат, шпинель и плагиоклаз) являются: кремний, алюминий, хром, магний, железо, кальций, натрий и кислород. Добавление или удаление этих элементов может изменить минеральную ассоциацию. Редкие элементы могут замещать атомы главных элементов в структуре. Однако их присутствие или отсутствие не оказывает влияния на фазовый состав, хотя они являются важными трассерами мантийных процессов. При процессах твердофазовых превращений они перераспределяются между минералами, а при плавлении в большей или меньшей степени входят в расплав. Рассеянные элементы в таких расплавах несут важную информацию о составе источника пород и процессах плавления на глубине. ИОННЫЙ РАДИУС, величина, характеризующая размер ИОНА определенного типа. Твердое тело (КРИСТАЛЛ) состоит из ионов, относящихся к одному или более типам. Эти ионы можно рассматривать как шарообразные частицы, расположенные определенным образом. Учитывая КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ и параметры ряда соединений, представляется возможным составить непротиворечивое множество ионных радиусов.

Распределение редких элементов между кристаллами и жидкостью описывается коэффициентом распределения D Di = Cis /Cil 1) Гольдшмит первый установил, что распределение редких элементов в минералах контролируется ионным радиусом и зарядом. Коэффициент распределения данного элемента может быть количественно описан через упругое напряжение этого элемента. Когда это напряжение большое вследствие несоответствия радиусов коэффициент становиться маленьким и элемент предпочтительно перераспределяется в жидкость. Большинство редких элементов имеют D<<1. Эти элементы получили название - несовместимые. Исключение составляют такие элементы как стронций в плагиоклазе, иттербий, лютеций и скандий в гранате, никель в оливине скандий в клинопироксене. Эти элементы не намного отличаются от главных элементов которые они замещаются и поэтому называются совместимыми. Таким образом большинство элементов периодической системы это редкие элементы и большинство из них несовместимы.

Главные элементы в расплавах образующихся из мантийных пород, по определению, являются совместимыми, и большинство из них буферируется минералами рестита и их концентрация в расплаве может варьировать не более чем в два раза. В противоположность, рассеянные элементы имеют обычно низкий коэффициент распределения и их концентрация в расплаве может на несколько порядков отличаться от концентрации в рестите в зависимости от степени плавления. Это видно из уравнения баланса масс для равновесной концентрации редких элементов в расплаве 2) С 0 – концентрация в валовой системе, F – доля расплава в системе. Для сильно несовместимых элементов, которые имеют очень низкий коэффициент и следовательно распределения D<<F уравнение 2 приобретает вид 3)

Это означает, что концентрация рассеянного элемента в расплаве обратно пропорциональна доли расплава. Добавочное следствие поведения сильно несовместимых элементов является, что концентрационное отношение в расплаве становятся постоянными, независимо от доли расплава и идентичны отношению в мантийном источнике. Это видно если уравнение 3 записать для двух сильно несовместимых элементов Отношение несовместимых элементов имеет сходство с изотопным отношением и очень полезно в дополнении к информации полученной по изотопам.

87 Rb → 87 Sr (λ = 1, 42× 10 -11 лет) 5) Уравнение распада записывается в следующем виде 87 Sr = 87 Rb × (eλt -1) 6) Разделим обе части уравнения на один из нерадиогенных изотопов 87 Sr/ 86 Sr = 87 Rb/86 Sr × (eλt -1) ≈ 87 Rb/86 Sr× λt 7) Приближение в уравнение 7 справедливо только для систем с большим периодом полураспада таких как Rb →Sr Sm→ Nd у которых λt<<1 и следовательно (eλt -1) ≈ λt. Изотопное отношение 87 Sr/ 86 Sr в системе является линейной функцией отношения Rb/Sr и почти линейная функция геологического возраста системы. 86 Sr

Дифференциация кора/мантия Рост континетальной коры сопровождался удалением из мантии большей части сильно несовместимых элементов и следствием этого являются особенности изотопного и редкоэлементного состава базальтов СОХ. Из рассмотрения ионных радиусов очевидно, что такие элементы как никель, кобальт, марганец, скандий, хром не обогащают континентальную кору, а остаются в мантии. Это является следствием близости их ионных радиусов к ионным радиусам главных элементов образующих минералы мантии. В то же время элементы с большим отклонением ионного радиуса или заряда в той или иной степени обогащают земную кору.

Фракционирование элементов может осуществляться либо при подъеме магм в кору, либо при перемещении флюидов из субдуцированной коры в мантийный клин с его дальнейшим плавлением. Континетальная кора может также образовываться при формировании головы мантийного плюма, который производит большой объем базальтов океанических поднятий. Они аккретируют к уже существующей континентальной коре, способствуя увеличению ее объема Хоффман показал, что образование коры при экстракции частичных расплавов из мантии может хорошо объяснять поведение большинства редких элементов в порцессе дифференциации кора-мантия. Однако несколько элементов, таких как ниобий, тантал, и свинец, не согласуются с простым частичным плавлением. Фундаментальное различие поведения этих элементов в обстановках СОХ – базальты океанических островов, а также в субдукционной обстановке требует второго, более сложного механизма, транспортировки через флюиды. Простой случай дифференциации кора-мантия при частичном плавлении показан на рис. 2.

Модель экстракции континентальной коры и повторного плавления деплитированного остатка также согласуется с изотопными отношениями между континетальной корой и деплитированной мантией. Изотопный состав деплитированнй мантии представлен в СОХ. Это иллюстрирует рис 3, который аналогичен рис. 2, но показывает обычно используемые системы распада. Континентальная кора имеет высокие отношения Rb/Sr и Re/Os но низкие Sm/Nd Lu/Hf. Как следствие со временем будут генерироваться более высокие, чем первоначальные значения 87 Sr/ 86 Sr и 187 Os/188 Os и низкие 143 Nd/144 Nd и

Более сложная картина наблюдается для изотопов свинца, для которых среднее значение родительские-дочерние изотопы мантии и коры аналогичны. Это не согласуется с простой моделью магматического образования коры , поскольку валовый коэффициент распределения для свинца в ходе частичного плавления лишь немного меньше чем у стронция, но значительно выше чем коэффициент распределения для сильно несовместимых урана и тория. Однако обогащение свинцом континетальной коры немного выше чем обогащение торием и ураном и изотопные отношения 206 Pb/204 Pb 208 Pb/204 Pb аналогичны в континетальной коре и СОХ. Это известно как парадокс свинца. Использование изотопных отношений для геохимических построений подразумевает что родительские и дочерние изотопы тугоплавкие литофильные элементы устойчивые к процессам выветривания и другим формам низкотемпературных изменений. К таки системам относятся самарийнеодимовая и лютеций-гафниевая. В этом случае измеряя отношения в породах коры и мантии мы можем получить достоверные оценки из измеренных и средних отношений этих элементов в коре и мантии. Но когда один из элементов имел летучее поведение в ходе аккреции Земли и/или подвижен при гидротермальных процессах как, например, рубидий, уран, свинец, дочерние изотопы дают более точное представление об отношении родительских/дочерних изотопов в примитивной и деплититрованной мантии и коре, поскольку изотопное отношение не подвержено последующим изменениям. В связи с этим отношения U/Pb, Th/Pb для валовой силикатной Земли, деплитированной мантии и континентальной коры выведены из изотопных отношений свинца. Также рубидй-стронциевое отношение выведено из хорошо известной негативной корреляции между 87 Sr/ 86 Sr и 143 Nd/144 Nd в мантийных и коровых породах известной под названием «мантийная

Фракционирование деплитированного и примитивного мантийных резервуаров. Согласно простой модели дифференциации кора-мантия (Рис 2) имеется три резервуара- континентальная кора, деплитированный остаток и океаническая кора. Однако деплитированный резервуар может быть меньше чем в целом мантия и возможно примитивный резервуар может быть необходим. Если допустить, что мантия состоит только из двух резервуаров и если пренебречь океанической корой, которая тонкая и относительно деплитированна в отношении сильно несовместимых элементов можно рассчитать массы этих резервуаров из изотопных и данных и редких элементов. Результата такой оценки дает значения от 30 до 80% деплитированного резервуара. Сначала была популярна оценка в 30%, поскольку она согласовывалась с объемом мантии лежащей выше границы 660 км. Наиболее прямой путь для расчета на основе баланса масс является допущение, что мы знаем состав континентальной коры достаточно хорошо, чтобы рассчитать содержания сильно несовместимых элементов, поскольку их содержание в деплитированной мантии настолько низко, что даже относительно большая ошибка серьезно не влияет на баланс масс. Для наиболее сильно несовместимых элементов значения нормализованные на примитивную мантию составляют для Cs- 123, Rb- 97, Th -70. Учитывая неопределенность в определении содержания Cs , принимается для него значение 100, что близко к рубидию.

Простой баланс масс для трех резервуаров может быть записан следующим образом где С концентрации нормализованные на примитивную мантию, Х- доля каждого резервуара: СС-континентальная кора, lm – нижняя мантия um – верхняя мантия. Если нижняя мантия в настоящее время примитивная то Clm= 1, верхняя мантия предельно деплитированна Cum = 0 и Xcc= 0, 005 то баланс масс дает Важно, что эта оценка идентична полученной с использованием количества радиогенного аргона в атмосфере, континентальной коре и деплитированной верхней мантии.

DMM – источник деплитированный в отношении несовместимых элементов. Характеризуется очень низким 87 Sr/86 Sr (<0, 7025), высокими 143 Nd/144 Nd (>0, 5132) и 176 Hf/177 H (f>0, 2831) HIMU – отличается от DMM радиогенным свинцом (206 Pb/204 Pb>20) и осмием (187 Os/188 Os>0, 134 – bulk-earth 187 Os/188 Os≈0, 1275). HIMU деплитирован относительно несовместимых элементов, подобно DMM, но слегка обогащен U и сильно деплититрованн в отношении Pb. ЕМ 1 – обогащен несовместимыми элементами в сравнении с недиффиринцированной мантией. Наиболее ярко «обогащенность» выражена в 143 Nd/144 Nd. ЕМ 1 имеет относительно низкое отношение 87 Sr/86 Sr (<0, 706) и 206 Pb/204 Pb (<18). ЕМ 2 - отличается от ЕМ 1 более радиогенным стронцием ( 87 Sr/86 Sr>0, 706) и свинцом 206 Pb/204 Pb ≈18, 8. Кроме того ЕМ 2 базальты обогащены свинцом и относительно деплититрованны HFSE.