بازلت جزيرة المحيط

تُعدّ الجيوكيمياء الخاصة ببازلت جزر المحيط مفيدةً لدراسة التركيب الكيميائي والفيزيائي لغلاف الأرض. ويُعتقد أن بعض أعمدة الوشاح التي تُغذي حمم البراكين في النقاط الساخنة تنشأ على عمق يصل إلى حدود اللب والوشاح (حوالي 2900  كيلومتر). ويُتيح تركيب بازلت جزر المحيط في النقاط الساخنة نافذةً على تركيب نطاقات الوشاح في قناة عمود الوشاح التي انصهرت لتُنتج البازلت، مما يُقدّم أدلةً حول كيفية ووقت تشكّل الخزانات المختلفة في الوشاح.

أشارت النماذج المفاهيمية المبكرة للبنية الجيوكيميائية للوشاح إلى انقسامه إلى خزانين: الوشاح العلوي والوشاح السفلي. كان يُعتقد أن الوشاح العلوي مُستنفد جيوكيميائيًا نتيجةً لاستخراج الصهارة التي شكلت قارات الأرض. أما الوشاح السفلي، فكان يُعتقد أنه متجانس و" بدائي ". (يشير مصطلح "بدائي" هنا إلى مادة السيليكات التي تُمثل اللبنات الأساسية للكوكب، والتي لم تتأثر باستخراج الصهارة أو تختلط بالمواد المندسة منذ تراكم الأرض وتكوين نواتها). أظهر التصوير المقطعي الزلزالي مرور الصفائح المندسة عبر الوشاح العلوي ودخولها الوشاح السفلي، مما يدل على استحالة عزل الوشاح السفلي. ^{[ 11 ]} إضافةً إلى ذلك، فإن عدم التجانس النظائري المُلاحظ في بازلت جزر المحيطات المُشتق من الأعمدة الصاعدة يُعارض فكرة تجانس الوشاح السفلي. تُعدّ النظائر المشعة الثقيلة أداةً بالغة الأهمية لدراسة تركيب مصادر الوشاح، لأنّ نسب النظائر لا تتأثر بانصهار الوشاح. ووفقًا للتصنيف الفرعي التقليدي، استُخدمت نسب نظائر السترونتيوم والنيوديميوم والرصاص والهافنيوم والهيليوم. ^{[ 12 ]} وهذا يعني أنّ نسبة النظائر المشعة الثقيلة في الصهارة المنصهرة، التي تصعد إلى السطح لتتحوّل إلى صخر بركاني، تعكس نسبة نظائر مصدر الوشاح وقت الانصهار. ومن أكثر أنظمة النظائر المشعة الثقيلة دراسةً في بازلت جزر المحيطات: ^87Sr / ^86Sr ، و ¹⁴³ Nd/ ^144Nd ، و ²⁰⁶ Pb/ ^204Pb ، و ²⁰⁷ Pb/ ^204Pb ، و ²⁰⁸ Pb / ^204Pb ، و ¹⁷⁶ Hf/ ^177Hf ، ومؤخرًا، ^187Os / ^188Os . في كل نظام من هذه الأنظمة، يتحلل نظير مشع أصلي ذو عمر نصف طويل (أي أطول من 704 مليون سنة) إلى نظير ابن "مشع". وتؤدي التغيرات في نسبة النظير الأصلي إلى النظير الابن، نتيجةً لانصهار الوشاح على سبيل المثال، إلى تغيرات في نسب النظائر المشعة. وبالتالي، فإن هذه الأنظمة النظيرية المشعة حساسة لتوقيت ودرجة تغير (أو تجزئة) نسبة النظير الأصلي إلى النظير الابن، مما يُسهم في فهم العمليات المسؤولة عن توليد عدم تجانس النظائر المشعة الملحوظ في بازلت جزر المحيط. في جيوكيمياء الوشاح، يُشار إلى أي تركيبة ذات نسبة منخفضة نسبيًا من ^{87Sr /} 86Sr ^ونسبة عالية من 143Nd ^/ 144Nd ^و 176 ^Hf / ^177Hf بأنها "مستنفدة جيوكيميائيًا" ^.يُشار إلى انخفاض ^{نسبة نظائر السترونتيوم (Sr) ونظائر النيوديميوم 143/144 والهافنيوم 176/177 بمصطلح} " ^{الإثراء} الجيوكيميائي " ^{. أما انخفاض نسب نظائر الرصاص (Pb) في الصخور المشتقة من الوشاح فيُصنف على أنه} غير مشع ، بينما تُصنف النسب المرتفعة نسبيًا على أنها مشعة .

قدمت هذه الأنظمة النظائرية أدلة على عدم تجانس الوشاح السفلي. تظهر عدة "نطاقات وشاحية" متميزة، أو عناصر طرفية، في سجل بازلت جزر المحيط. عند تمثيلها بيانيًا في فضاء متعدد النظائر، تميل بازلتات جزر المحيط إلى تشكيل مجموعات تتجه من تركيبة مركزية إلى عنصر طرفي ذي تركيبة متطرفة. يُعد الوشاح المستنفد، أو DM، أحد هذه العناصر الطرفية، ويتميز بانخفاض نسب ^87Sr / ^86Sr ، و ²⁰⁶ Pb/ ^204Pb ، و ²⁰⁷ Pb/ ^204Pb ، و ²⁰⁸ Pb/ ^204Pb ، وارتفاع نسب ^143Nd / ^144Nd و ¹⁷⁶ Hf/ ^177Hf . ولذلك، يُعتبر الوشاح المستنفد مستنفدًا جيولوجيًا، وغير مشع نسبيًا. تقوم سلاسل منتصف المحيطات بأخذ عينات من الوشاح العلوي بشكل غير مباشر، وعادةً ما تكون بازلتات منتصف المحيطات (MORB) مستنفدة جيولوجيًا، ولذلك من المقبول على نطاق واسع أن الوشاح العلوي يتكون في معظمه من وشاح مستنفد. ومن ثم، يُستخدم مصطلح "وشاح بازلت منتصف المحيطات المستنفد" (DMM) لوصف الوشاح العلوي الذي يُغذي النشاط البركاني في سلاسل منتصف المحيطات. كما تأخذ بازلتات جزر المحيطات عينات من مناطق الوشاح المستنفدة جيولوجيًا. في الواقع، معظم بازلتات جزر المحيطات مستنفدة جيولوجيًا، وأقل من 10% منها تحتوي على حمم بركانية تمتد إلى تركيبات غنية جيولوجيًا (أي، نسبة نظير ^{النيوديميوم-143} / ^{النيوديميوم-144} فيها أقل من تركيبات العناصر الأساسية للأرض).

توجد منطقتان غنيتان جيولوجيًا، تُسميان الوشاح المُخصب 1 (EM1) والوشاح المُخصب 2 (EM2). على الرغم من تشابههما بشكل عام، إلا أن هناك بعض الاختلافات المهمة بين EM1 وEM2. يتميز EM1 بنسبة 206Pb/204Pb غير مشعة ^، ونسبة ^{87Sr /} 86Sr ^مرتفعة نسبيًا ، ويمتد إلى ^{نسب 143Nd} / ^144Nd و ¹⁷⁶ Hf/ ^177Hf أقل من EM2. ^{[ 13 ]} تُعد بيتكيرن ، وكيرغولين - هيرد ، وتريستان - غوف المواقع النموذجية لـ EM1. أما  EM2، فيتميز بنسبة ^87Sr / ^86Sr أعلى من EM1، ونسب ^143Nd / ^144Nd و ¹⁷⁶ Hf/ ^177Hf أعلى عند قيمة معينة لـ ^87Sr / ^86Sr ، ونسبة ^206Pb / ^204Pb متوسطة . ^{[ 13 ]} ساموا وسوسايتي هما الموقعان النموذجيان لـ EM2.

يُعدّ وشاح HIMU نطاقًا مميزًا آخر في الوشاح. في علم الجيوكيمياء النظائرية، يُستخدم الحرف اليوناني μ (أو mu) لوصف نسبة ^238U / ^204Pb ، بحيث يُشير مصطلح "HIMU عالي μ" إلى نسبة عالية من ^238U / ^204Pb . مع مرور الوقت، ومع تحلل ^238U إلى ^206Pb ، تُصبح مواد HIMU الأرضية ذات نسبة عالية من ^206Pb / ^204Pb ذات خصائص إشعاعية مميزة . إذا احتوت مادة أرضية على نسبة عالية من اليورانيوم ^{-238 إلى الرصاص -204} (HIMU)، فستحتوي أيضًا على نسبة عالية من اليورانيوم ^-235 إلى الرصاص ^-204 ، وبالتالي ستنتج تركيبات رصاص مشعة لكل من النظامين النظائريين ^206/204 و ²⁰⁷ / ²⁰⁴ ( يتحلل اليورانيوم ^{-238 إلى الرصاص-206 ،} ويتحلل اليورانيوم ^-235 إلى الرصاص ^-207 ). وبالمثل، تميل المواد الأرضية ذات نسبة اليورانيوم/الرصاص العالية إلى امتلاك نسبة عالية من الثوريوم/الرصاص، وبالتالي تتطور لتصبح ذات نسبة عالية من الرصاص ^{-208 إلى الرصاص -204} ( يتحلل الثوريوم ^-232 إلى الرصاص ^-208 ). وتُعد بازلتات جزر المحيط ذات النسب المشعة العالية من الرصاص ^-206 / ²⁰⁴ ، والرصاص ^-207 / ²⁰⁴ ، والرصاص ^-208 / ²⁰⁴ نتاجًا لمناطق الوشاح HIMU. تُعد جزيرة سانت هيلينا والعديد من الجزر في خط كوك - أوسترال البركاني (مثل مانغايا ) المواقع النموذجية لبازلت جزر المحيط HIMU.

النطاق الأخير للغلاف الأرضي الذي نناقشه هنا هو التركيب الشائع الذي تميل إليه بازلتات جزر المحيط في الفضاء النظائري المشع المتعدد. وهو أيضًا المصدر الأكثر شيوعًا للغلاف الأرضي في بازلتات جزر المحيط، ويتميز بنسب متوسطة إلى منخفضة جيوكيميائيًا من ^87Sr / ^86Sr ، و ¹⁴³ Nd/ ^144Nd ، و ¹⁷⁶ Hf/ ^177Hf ، بالإضافة إلى نسب متوسطة من ^206Pb / ^204Pb ، و ²⁰⁷ Pb/ ^204Pb ، و ²⁰⁸ Pb/ ^204Pb .  لهذا النطاق المركزي للغلاف الأرضي عدة أسماء، لكل منها دلالات مختلفة قليلاً. مصطلح PREMA، أو "الغلاف الأرضي السائد"، هو أول مصطلح صاغه زيندلر وهارت (1986) لوصف التركيب الأكثر شيوعًا الذي تم أخذ عينات منه في بازلتات جزر المحيط. ^{[ 14 ]} هارت وآخرون. أطلق فارلي وآخرون (1992) لاحقًا على موقع تقاطع تركيبات بازلت جزر المحيط في الفضاء النظائري المشع اسم "منطقة التركيز" أو FOZO. ^{[ 15 ] وفي العام نفسه، وصف فارلي وآخرون (1992) مكونًا عاليًا من نظير الهيليوم -3} /الهيليوم ^-4 (بصمة جيولوجية كيميائية بدائية) في الأعمدة الصاعدة باسم "وشاح الهيليوم البدائي" أو PHEM. ^{[ 16 ]} وأخيرًا، استخدم هانان وغراهام (1996) مصطلح "C" (اختصارًا للمكون المشترك) لوصف مكون خلط مشترك في الصخور المشتقة من الوشاح. ^{[ 17 ]}

إن وجود نطاق معين من الوشاح في بازلت جزر المحيط من منطقتين ساخنتين، والذي يُشير إليه تركيب نظائري إشعاعي محدد، لا يدل بالضرورة على أن أعمدة الوشاح ذات التركيب النظائري المتشابه تنبع من نفس الخزان الفيزيائي في الوشاح العميق. بل يُعتقد أن نطاقات الوشاح ذات التركيب النظائري الإشعاعي المتشابه، والتي تم أخذ عينات منها في مواقع مختلفة من المناطق الساخنة، تشترك في تاريخ جيولوجي متشابه. ^{[ 18 ]} على سبيل المثال، يُعتقد أن منطقتي EM2 الساخنتين في ساموا وسوسايتي تنبعان من مصدر وشاحي يحتوي على قشرة قارية علوية مُعاد تدويرها، ^{[ 19 ]} وهي فكرة تدعمها ملاحظات النظائر المستقرة، بما في ذلك δ18O ^و δ7Li ^. ولا تعني أوجه التشابه النظائرية أن ساموا وسوسايتي تنبعان من نفس المصدر الفيزيائي للوشاح، كما يتضح من اختلاف توزيعاتهما قليلاً في الفضاء النظائري الإشعاعي متعدد الأبعاد. وبالتالي، فإن النقاط الساخنة المصنفة على أنها "EM1" أو "EM2" أو "HIMU" أو "FOZO" قد تمثل عينات من أجزاء مختلفة فيزيائيًا، ولكنها متشابهة في تركيبها، من الوشاح. علاوة على ذلك، تحتوي بعض سلاسل النقاط الساخنة على حمم بركانية ذات نطاق واسع من التركيب النظائري، مما يوحي بأن مصدر الأعمدة البركانية يمثل عينات من نطاقات متعددة يمكن أخذها في أوقات مختلفة من التطور البركاني للنقطة الساخنة.

تساعد الأنظمة النظائرية في فهم العمليات الجيولوجية التي ساهمت في تكوين هذه النطاقات الوشاحية، وفي بعض الحالات، في تحديد توقيتها. ومن الأمثلة المهمة على ذلك وجود بصمات قشرية في مصادر الوشاح الغنية، مما يشير إلى إمكانية انغماس مواد من قارات الأرض ومحيطاتها في الوشاح، ثم عودتها إلى السطح عبر أعمدة الوشاح الصاعدة بفعل الطفو. وقد أظهرت تحليلات نظائر الكبريت تجزئة مستقلة عن الكتلة (MIF) في نظائر الكبريت في بعض الحمم البركانية المشتقة من أعمدة الوشاح. ^{[ 20 ]} وتُعد تجزئة نظائر الكبريت المستقلة عن الكتلة ظاهرة حدثت في الغلاف الجوي للأرض قبل حدث الأكسدة العظيم الذي وقع قبل حوالي 2.3 مليار سنة. ويشير وجود مواد مُعاد تدويرها تحمل بصمات التجزئة المستقلة عن الكتلة إلى أن بعض هذه المواد المُعاد تدويرها أقدم من 2.3 مليار سنة، حيث تشكلت قبل حدث الأكسدة العظيم، ثم عادت إلى السطح عبر النشاط البركاني لأعمدة الوشاح. استُخدمت أنظمة النظائر للغازات النبيلة ، مثل ^3He / ^4He و ²⁰ Ne/ ^22Ne و ¹²⁹ Xe/ ^{130Xe ، لإثبات أن أجزاءً من الوشاح السفلي أقلّ إطلاقًا للغازات نسبيًا، ولم تخضع للتجانس رغم مليارات السنين من اختلاط الحمل الحراري في الوشاح. [ 21 ]} تتميز بعض أعمدة الوشاح الكبيرة والساخنة بنسبة عالية غير طبيعية من ^3He / ^4He . وبما أن ^4He يُنتَج باستمرار داخل الأرض عبر تحلل ألفا ( لليورانيوم ²³⁵ و238 ، والثوريوم ^{232 ، والساماريوم 147} )، بينما لا يُنتَج ^3He بكميات ملحوظة في أعماق الأرض، فإن نسبة 3He إلى 4He تتناقص في باطن الأرض مع مرور الوقت. بدأ النظام الشمسي المبكر بنسبة عالية من ^3He / ^4He ، ولذلك تراكمت ^الأرض في ^{البداية} بنسبة عالية من ^3He / ^4He . وبالتالي، في الحمم البركانية المشتقة من الأعمدة الصاعدة، يُعد ارتفاع نسبة الهيليوم ^-3 إلى الهيليوم ^-4 بصمة جيولوجية كيميائية "قديمة" تشير إلى وجود خزان هيليوم محفوظ جيدًا في الوشاح العميق. ويُحدد توقيت تكوين هذا الخزان من خلال الشذوذات المرصودة لنسبة الزينون ^{-129 إلى الزينون -130} في بازلت جزر المحيط، لأن الزينون ^-129 لم يُنتج إلا من تحلل اليود ^-129 خلال أول 100 مليون سنة تقريبًا من تاريخ الأرض. ^{[ 22 ] ويُعد ارتفاع نسبة الهيليوم -3} إلى الهيليوم ^-4 والزينون ^-129 معًا مؤشرًا على ذلك.يشير Xe/ ¹³⁰ Xe إلى نطاق غاز نبيل بدائي أقل إزالة للغازات تم الحفاظ عليه بشكل جيد نسبياً منذ العصر الهادي المبكر .