海洋所研究發(fā)現(xiàn)古俯沖改造地幔殘存于現(xiàn)今洋中脊地幔新證據(jù)
近日,國際地學(xué)期刊Earth and Planetary Science Letters(Nature Index)刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋研究所曾志剛研究員課題組陳祖興副研究員與合作者關(guān)于古俯沖流體改造地幔組分在塑造現(xiàn)今洋中脊玄武巖地幔不均一性方面的最新研究成果,為理解全球洋中脊玄武巖中“幽靈島弧信號”的形成機制提供了全新視角。
遠離俯沖帶的大洋中脊系統(tǒng)不受俯沖作用影響(圖1)。然而,越來越多的研究發(fā)現(xiàn)部分洋中脊玄武巖具有典型的島弧巖漿地球化學(xué)特征,如Nb負異常以及俯沖板片流體的印記(如高H?O/Ce與Ba/Th比值等),被稱為“幽靈島弧信號”。然而,其成因機制仍存在爭議,包括地幔柱物質(zhì)的加入、再循環(huán)沉積物的貢獻、古老克拉通巖石圈地幔的混染以及俯沖改造地幔組分的參與等。鑒于這些不同端元組分可能共同影響洋中脊玄武巖的地球化學(xué)特征,通過傳統(tǒng)放射性同位素方法精確限定洋中脊玄武巖中“幽靈島弧信號”的具體成因仍具挑戰(zhàn)性。

圖1 全球洋中脊和島弧玄武巖Mo同位素組成特征及St. Helena地幔柱-南大西洋洋中脊系統(tǒng)的深部結(jié)構(gòu)的地震層析成像
近年來,鉬(Mo)同位素體系在示蹤殼幔物質(zhì)循環(huán)方面表現(xiàn)出巨大的潛力。俯沖板片在弧下深度脫水釋放重Mo同位素交代上覆地幔楔導(dǎo)致島弧巖漿(如馬里亞納、伊豆小笠原、堪察加等),相對于洋中脊玄武巖具有更重的Mo同位素組成(圖1A)。此外,由于還原沉積物富集重Mo同位素,受俯沖還原沉積物影響的小安的列斯島弧巖漿也表現(xiàn)出重Mo同位素特征(圖1A)。與之相對,脫水殘余板片則富集輕Mo同位素,其通過深俯沖再循環(huán)作用導(dǎo)致HIMU型洋島玄武巖(如St. Helena)表現(xiàn)出異常輕的Mo同位素特征(圖1B)。而EM-1型洋島玄武巖以及受EM-1型地幔柱影響的南大西洋46-53°S洋中脊玄武巖中出現(xiàn)的重Mo同位素信號(圖1B)與還原沉積物的俯沖再循環(huán)有關(guān)。因此,通過結(jié)合Mo同位素與放射性同位素體系,能夠有效區(qū)分HIMU與EM-1型地幔柱對洋中脊玄武巖的影響,并準(zhǔn)確識別其中俯沖改造地幔組分的貢獻。

圖2 全球洋中脊玄武巖和受俯沖流體影響島弧玄武巖的Mo同位素組成
為此,研究人員分析了受St. Helena地幔柱影響的南大西洋洋中脊玄武巖的Mo同位素,識別出與受俯沖流體影響的島弧玄武巖相似的重Mo同位素信號(圖2),且具有相對較低的(La/Sm)N、Nb/Zr和Ce/Pb比值以及不富集的Sr-Nd同位素組成。這些地球化學(xué)特征既不能通過虧損地幔與再循環(huán)沉積物或巖石圈地幔物質(zhì)的相互作用來解釋,也無法歸因于St. Helena地幔柱對其地幔源區(qū)的影響。結(jié)合地震層析成像和板塊重建模型,這些獨特的地球化學(xué)特征反映了中生代時期岡瓦納超大陸西南緣俯沖流體改造地幔的貢獻(圖3)。這一發(fā)現(xiàn)不僅為古俯沖流體改造地幔在塑造現(xiàn)今洋中脊玄武巖地幔不均一性中的重要作用提供了關(guān)鍵證據(jù),同時也為理解全球洋中脊玄武巖中"幽靈"島弧特征的形成機制提供了全新視角。

圖3 南大西洋洋中脊玄武巖中島弧型重Mo同位素信號形成示意圖
論文第一作者和通訊作者為中國科學(xué)院海洋研究所陳祖興副研究員,合作者包括美國華盛頓大學(xué)Fang-Zhen Teng教授、美國得克薩斯大學(xué)達拉斯分校Robert J. Stern教授、中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李杰研究員以及中國科學(xué)院海洋研究所張玉祥副研究員和曾志剛研究員。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金等項目聯(lián)合支持。
論文信息:
Zuxing Chen*, Fang-Zhen Teng, Robert J. Stern, Yuxiang Zhang, Jie Li, Zhigang Zeng. Molybdenum isotope evidence for subduction-modified mantle beneath mid-ocean ridges. Earth and Planetary Science Letters, 2025, 658: 119294. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119294.
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