DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-66213-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41407666
تاريخ النشر: 2025-12-17
المؤلف: Kun‐Feng Qiu وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
طرق
تدرس الدراسة الخصائص الجيوكيميائية لصخور لوكسي وسايمة القلوية، كاشفة عن أدلة على المواد المعاد تدويرها من الصفائح المدفونة. تظهر أنماط العناصر النادرة ميزات شبيهة بالقوس، مع نسب مرتفعة من Th/Yb و Nb/Yb مقارنة بمجموعة بازلت منتصف المحيط (MORB)، مما يشير إلى مساهمات من الرواسب أو القشرة القارية بسبب إثراء Th في هذه المواد. تشير النتائج إلى أنه بينما قد يؤثر بعض السائل المنطلق من السيربنتينيت في مناطق الانغماس على التركيب النظائري للوشاح العلوي، فإن التأثير العام للمدخلات المعاد تدويرها على الوشاح العميق محدود. يُستنتج أن الماجما في لوكسي وسايمة تنشأ من وشاح قاري تحت القشرة (SCLM) غني، بدلاً من مساهمة كبيرة من الوشاح العميق.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تقييم دور القشرة المحيطية المتغيرة (AOC) كمصدر لإثراء العناصر النادرة بشكل نقدي. تجادل الدراسة بأن AOC لا يمكن أن تفسر وحدها التوقيعات النظيرية المرصودة في الصخور القلوية، حيث إن تفاعلات إزالة الماء في القشرة المحيطية ستؤدي إلى استنفاد نظائر Li و Ba الثقيلة، مما يؤدي إلى تركيبات نظيرية أخف في اللوح المتبقي. علاوة على ذلك، فإن القيم السلبية لـ εNd(t) لصخور لوكسي وسايمة غير متسقة مع القيم الإيجابية المرتبطة عادةً بـ AOC، مما يعزز الاستنتاج بأن الخصائص النظيرية تتماشى أكثر مع القشرة القارية القديمة بدلاً من المصادر المحيطية الشابة.
شملت الطرق التحليلية تحليلات الصخور الكاملة للعناصر الرئيسية والنادرة التي أجريت في معهد لوان للجيولوجيا الهندسية، باستخدام تقنيات مثل مطيافية الفلورية بالأشعة السينية ومطيافية الكتلة بالتحليل الطيفي المتصل بالبلازما (ICP-MS) لقياسات دقيقة لتركيزات العناصر.
نتائج
تكشف النتائج التحليلية من دراسة الصخور القلوية في حزام لوكسي REE ومجمع سايمة عن اختلافات تركيبية كبيرة. تظهر صخور لوكسي نطاقًا واسعًا من محتويات SiO₂ (58.9 إلى 75.3 وزناً%)، مع تباين Na₂O + K₂O من 7.36 إلى 12.1 وزناً%، و Al₂O₃ من 11.9 إلى 16.2 وزناً%. يتم تصنيف معظم العينات على أنها سيينيت، على الرغم من أن بعضها يقع ضمن فئات الجرانيت والجرانوديوريت في مخطط TAS. بالمقابل، تحتوي صخور مجمع سايمة على SiO₂ أقل (57.4-63.4 وزناً%) وNa₂O + K₂O أعلى (10.9-15.4 وزناً%)، مع محتويات Al₂O₃ مماثلة. تشير ملفات العناصر النادرة إلى أنه بينما تظهر كلا المجمعين إثراءات في العناصر الأرضية النادرة الخفيفة (LREEs) وعناصر الأيونات الكبيرة (LILEs)، تظهر عينات سايمة توقيعات أكثر تنوعًا، بما في ذلك شذوذات إيجابية مميزة للرصاص وشذوذات سلبية للفوسفور والتيتانيوم.
تكشف التحليلات النظيرية أن الصخور القلوية في لوكسي لديها نسب نظائر Sr أولية مرتفعة نسبيًا ($^{87}Sr/^{86}Sr = 0.7068-0.7112$) ونسب نظائر Nd منخفضة ($\epsilon_{Nd} = -15.65$ إلى $-7.63$)، بينما تظهر صخور سايمة نسب Sr مماثلة ($^{87}Sr/^{86}Sr = 0.7072-0.7086$) ونسب Nd أعلى قليلاً ($\epsilon_{Nd} = -14.1$ إلى $-11.7$). من الجدير بالذكر أن قيم δ⁷Li لعينات لوكسي تتراوح من -4.6‰ إلى +4.8‰، مع بعض العينات التي تظهر قيمًا سلبية عالية، بينما تحتوي معظم عينات سايمة على قيم إيجابية لـ δ⁷Li. على الرغم من أن محتويات REE مرتفعة، إلا أنها لا تصل إلى مستويات خام، مما يشير إلى أن التمعدن الاقتصادي لعناصر REE في هذه المجمعات هو على الأرجح نتيجة لعمليات متأخرة بدلاً من توقيعات ماجما أولية.
مناقشة
تؤكد قسم المناقشة في ورقة البحث على الدور الهام للمواد المعاد تدويرها المشتقة من القارة في تشكيل ماجما السيينيت الغنية بعناصر الأرض النادرة (REE)، خاصة في مجمعات لوكسي وسايمة القلوية. تكشف التحليلات النظيرية أن توقيعات Li و Ba و Nd لهذه الماجما لا يمكن أن تُعزى إلى العمليات الجيولوجية النموذجية مثل الانصهار الجزئي أو الاستيعاب القشري، بل تشير بدلاً من ذلك إلى مصدر وشاح يتأثر بشكل أساسي بالرواسب القارية المدفونة. تظهر هذه الرواسب قيمًا منخفضة من δ^7Li و δ^{138/134}Ba، والتي تتميز بالمواد القارية المتآكلة، مما يشير إلى أنها تنقل توقيعاتها النظيرية إلى الوشاح أثناء الانغماس. تستخدم الدراسة نماذج خلط لتحديد مساهمات المواد القشرية المعاد تدويرها، مشيرة إلى أن 10-20% من هذه الرواسب ضرورية لتفسير التركيبات النظيرية المرصودة.
علاوة على ذلك، تناقش البحث تباين مصدر الوشاح لماجما القلوية الغنية بعناصر REE، مقترحة سيناريوهين: حدث ميتاسوماتي متعدد المكونات أو أحداث ميتاسوماتية متعددة على مر الزمن. يبرز كلا السيناريوهين تعقيد عمليات إثراء الوشاح، المتأثرة بحلقات الانغماس المتعاقبة التي تقدم مواد متنوعة إلى الوشاح القشري. تشير النتائج إلى أن وجود الرواسب المشتقة من القارة أمر حاسم لإثراء الوشاح بعناصر REE، مما يربط عمليات التجوية السطحية بديناميات الانغماس. في النهاية، تفترض الدراسة أن وجود وشاح مُثرى مسبقًا، نتيجة لإعادة تدوير المواد القارية، أمر ضروري لتوليد ماجما قلوية قادرة على تشكيل رواسب REE كبيرة، مما يبرز الترابط بين العمليات الجيولوجية عبر مقاييس زمنية ومكانية مختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-66213-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41407666
Publication Date: 2025-12-17
Author(s): Kun‐Feng Qiu et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Methods
The study investigates the geochemical characteristics of Luxi and Saima alkaline rocks, revealing evidence of recycled materials from subducted slabs. The trace-element patterns exhibit arc-like features, with elevated Th/Yb and Nb/Yb ratios compared to the Mid-Ocean Ridge Basalt (MORB) array, suggesting contributions from sediment or continental crust due to the enrichment of Th in these materials. The findings indicate that while some fluid released from serpentinites in subduction zones may influence the isotopic composition of the overlying mantle, the overall impact of recycled inputs on the deep mantle is limited. The Luxi and Saima magmas are inferred to originate from an enriched subcontinental lithospheric mantle (SCLM), rather than a significant contribution from the deep mantle.
Additionally, the role of altered oceanic crust (AOC) as a source of trace element enrichment is critically assessed. The study argues that AOC cannot solely account for the isotopic signatures observed in the alkaline rocks, as dehydration reactions in the oceanic crust would deplete heavy Li and Ba isotopes, leading to lighter isotopic compositions in the residual slab. Furthermore, the negative εNd(t) values of the Luxi and Saima rocks are inconsistent with the positive values typically associated with AOC, reinforcing the conclusion that the isotopic characteristics are more aligned with old continental crust rather than young oceanic sources.
Analytical methods included major and trace element whole-rock analyses performed at the Lunan Geo-engineering Exploration Institute, utilizing techniques such as X-ray fluorescence spectrometry and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) for precise measurements of elemental concentrations.
Results
The analytical results from the study of alkaline rocks in the Luxi REE belt and the Saima complex reveal significant compositional differences. The Luxi rocks exhibit a wide range of SiO₂ contents (58.9 to 75.3 wt.%), with Na₂O + K₂O varying from 7.36 to 12.1 wt.%, and Al₂O₃ from 11.9 to 16.2 wt.%. Most samples are classified as syenites, although some fall into granite and granodiorite categories on a TAS diagram. In contrast, the Saima complex rocks have lower SiO₂ (57.4-63.4 wt.%) and higher Na₂O + K₂O (10.9-15.4 wt.%), with similar Al₂O₃ contents. The trace-element profiles indicate that while both complexes show enrichments in light rare earth elements (LREEs) and large ion lithophile elements (LILEs), the Saima samples exhibit more variable signatures, including distinct positive Pb anomalies and negative anomalies for P and Ti.
Isotopic analyses reveal that the Luxi alkaline rocks have relatively high initial Sr isotope ratios ($^{87}Sr/^{86}Sr = 0.7068-0.7112$) and low Nd isotope ratios ($\epsilon_{Nd} = -15.65$ to $-7.63$), while the Saima rocks show similar Sr ratios ($^{87}Sr/^{86}Sr = 0.7072-0.7086$) and slightly higher Nd ratios ($\epsilon_{Nd} = -14.1$ to $-11.7$). Notably, the δ⁷Li values for Luxi samples range from -4.6‰ to +4.8‰, with some exhibiting highly negative values, while most Saima samples have positive δ⁷Li values. The REE contents, although elevated, do not reach ore-grade levels, suggesting that economic REE mineralization in these complexes is likely a result of late-stage processes rather than primary magmatic signatures.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the significant role of recycled continent-derived materials in the formation of rare earth element (REE)-rich syenite magmas, particularly in the Luxi and Saima alkaline complexes. Isotopic analyses reveal that the Li, Ba, and Nd signatures of these magmas cannot be attributed to typical geological processes such as partial melting or crustal assimilation, but rather indicate a mantle source influenced predominantly by subducted continental sediments. These sediments exhibit low δ^7Li and δ^{138/134}Ba values, which are characteristic of weathered continental materials, suggesting that they impart their isotopic signatures to the mantle during subduction. The study employs mixing models to quantify the contributions of recycled crustal materials, indicating that 10-20% of such sediments are necessary to explain the observed isotopic compositions.
Furthermore, the research discusses the heterogeneity of the mantle source for REE-fertile alkaline magmas, proposing two scenarios: a single multicomponent metasomatic event or multiple metasomatic events over time. Both scenarios highlight the complexity of mantle enrichment processes, influenced by successive subduction episodes that introduce diverse materials into the lithospheric mantle. The findings suggest that the presence of continent-derived sediments is crucial for enriching the mantle with REEs, linking surface weathering processes to subduction dynamics. Ultimately, the study posits that a pre-enriched mantle, resulting from the recycling of continental materials, is essential for generating alkaline magmas capable of forming significant REE deposits, underscoring the interconnectedness of geological processes across different scales and timescales.