Studien von mittelozeanischen Rückenbasalten (MORBs) zeigen eine variable Fe-Isotopenzusammensetzung des ozeanischen oberen Mantels, die sich nicht durch Prozesse des Mantelschmelzens aus einer einheitlichen Quelle und der Magmaentwicklung erklären lässt, was auf eine Heterogenität der Fe-Isotope im ozeanischen oberen Mantel hinweist. Der Ursprung der Fe-Isotopen-Heterogenität des oberen Mantels bleibt jedoch rätselhaft.
Um die Hypothese zu verifizieren, dass die Anreicherung des schweren Fe-Isotops (56, 57Fe vs. leichtes 54Fe) im MORB-Mantel aus dem gleichen Prozess der Anreicherung inkompatibler Elemente resultiert, der in der Erdgeschichte mit der Metasomatose des Schmelzmantels mit niedrigem Grad verbunden war, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Guo Pengyuan vom Institut für Ozeanologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (IOCAS) führte eine Fe-Isotopenstudie an gut charakterisierten MORB-Proben aus einem magmatisch robusten Segment (OH-1) des Mittelatlantischen Rückens (MAR) bei ~ 35° durch N.
Die Studie wurde veröffentlicht in Erd- und Planetenwissenschaftsbriefe.
Die untersuchten 18 Proben zeigten eine große δ56Fe-Variation, was eine ziemlich große MORB-Fe-Isotopenvariabilität auf einer solchen Gratsegmentskala widerspiegelt. „Was auffällt, sind die statistisch signifikanten Korrelationen von δ56Fecorr mit den Häufigkeiten und Verhältnissen von mehr zu weniger inkompatiblen Elementen und sogar mit Sr-Nd-Hf-Isotopen“, sagte Dr. Guo.
Die große δ56Fe-Variation und die signifikanten Korrelationen mit Häufigkeiten und Verhältnissen inkompatibler Elemente und mit radiogenen Isotopen der OH-1-Laven wurden nicht durch Meerwasserveränderung, teilweises Schmelzen, Magmaentwicklung und Vermischung in der Magmakammer verursacht; sie spiegelten ein klares Mantelquellenerbe unterhalb dieses Teils des MAR wider.
Niedriggradiges Schmelzen kann Elemente mit unterschiedlichen Inkompatibilitäten effektiv fraktionieren, insbesondere zwischen Elementen mit kleinen oder subtilen Inkompatibilitätsunterschieden. Somit weist die korrelierte Fe-Isotopenvariation (δ56Fe = +0,03 bis +0,18 ‰) mit den Häufigkeiten und Verhältnissen inkompatibler Elemente auf einen gemeinsamen Prozess hin, der zur Anreicherung von schwerem Fe und inkompatiblen Elementen führt.
„Wir erklären diesen Prozess als Low-F-Schmelzmantel-Metasomatismus, der an der ozeanischen Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze in der Erdgeschichte stattfand“, sagte Dr. Guo. Das Schmelzen solcher wiederverwerteter zusammengesetzter Lithologien unterhalb des heutigen Unterkamms erzeugt MORB-Schmelzen mit geochemischen Korrelationen, wie sie am Kammsegment OH-1 des MAR beobachtet wurden. Die positive Korrelation von δ56Fe mit 87Sr/86Sr und negative Korrelationen mit 143Nd/144Nd und 176Hf/177Hf deuten ferner auf eine alte Bildung des metasomatischen Mantels mit niedrigem F-Schmelzen hin.
„Wir schlagen vor, dass die Low-F-Schmelzmantel-Metasomatose, die eine Anreicherung von schweren Fe-Isotopen im oberen Mantel verursacht, ein weltweit verbreiteter Prozess ist, da die verfügbaren globalen MORB-Fe-Isotope systematische Korrelationen mit der Häufigkeit und den Verhältnissen ihrer inkompatiblen Elemente aufweisen“, sagte Dr. Guo .
Mehr Informationen:
Pengyuan Guo et al., Low-Degree Melt Metasomatic Origin of Heavy Fe Isotope Enrichment in the MORB Mantle, Erd- und Planetenwissenschaftsbriefe (2022). DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117892