| “幔游”课题组 "Rocking Mantle" Group |
|
地表物质的深部循环一直是国际学术研究的前沿领域。地表的碳酸盐可随板块俯冲进入地幔。碳酸盐的加入不仅能够改变地幔的化学组成和物理性质，还可能显著影响整个地球深部系统中的碳循环路径。因此，查明地表碳酸盐在地球内部的储存、运移，揭示这一关键组分的深地幔循环机制，探索其对整个地球系统运行的潜在影响，是我们理解宜居地球形成演变的深部控制因素的关键环节。课题组瞄准“如何示踪含碳酸盐地壳物质的深地幔循环”这一关键的科学问题，以板内玄武岩为抓手，代表性成果主要体现在以下两方面： 一、通过全球代表性洋岛玄武岩的地球化学研究，系统论证了含碳酸盐沉积物的深部循环与地幔端元之间的成因联系，为地表碳酸盐能够进入下地幔提供了关键的同位素证据。 尽管高温高压实验模拟已经发现部分碳酸盐能够在下地幔的温压条件下稳定存在，然而“地表碳酸盐能否通过板块俯冲进入下地幔”仍然是一个长期悬而未决的科学问题，受到固体地球科学界的持续广泛关注。起源于地球核幔边界的地幔柱从下地幔上涌至上地幔，其部分熔融产生的岩浆最终喷发于地表形成洋岛玄武岩。这些洋岛玄武岩是我们了解下地幔物质组成与演化的理想研究对象，也是探索下地幔与地球表层之间物质循环的“窗口”。 洋岛玄武岩放射成因同位素方面的研究表明下地幔在化学组成上是高度不均一的，存在多个具有极端放射成因同位素组成的地幔端元，包括EM1（Ⅰ型富集地幔）、EM2（Ⅱ型富集地幔）和HIMU（高U/Pb比地幔）等。目前的研究多认为这些地幔端元的形成与地球浅部物质的再循环有关。对其中EM1和HIMU端元的成因而言，最流行的解释分别是再循环的古老远洋沉积物和再循环的古老蚀变洋壳，二者均可能包含一定量的地表碳酸盐组分。近来的研究发现含碳酸盐地壳物质（沉积物或者洋壳）和地幔之间在元素组成和Mg、Zn等金属稳定同位素特征上存在明显差异。因此，对EM1和HIMU型洋岛玄武岩的Mg、Zn等金属稳定同位素、放射成因同位素和元素地球化学开展综合分析，就可能为解决“地表碳酸盐能否进入下地幔”这一问题提供重要线索。
图1 地幔富集组分EM1和HIMU与碳酸盐再循环的成因联系 南太平洋皮特凯恩火山岛是定义EM1端元的经典代表性洋岛，由起源于核-幔边界的皮特凯恩地幔柱在上地幔部分熔融产生。课题组对来自该岛的玄武岩样品开展了高精度Mg同位素以及常规的Sr-Nd-Pb-Hf放射成因同位素和主微量元素分析，发现：（1）经典的EM1型洋岛玄武岩具有比正常地幔明显偏轻的Mg同位素组成(δ26Mg值低至−0.40‰)，且它们是迄今发现的Mg同位素组成最轻的新鲜大洋玄武岩；（2）Mg同位素与放射成因同位素具有相关性，EM1端元表现为轻的Mg同位素特征。上述观察只能用再循环的古老含碳酸盐沉积物来解释。基于此，课题组提出了EM1端元的形成机制：古老的含碳酸盐沉积物随俯冲板块进入地幔，经历俯冲改造后的残余沉积物具有极低的U/Pb比，其在核幔边界经历长期、孤立的演化形成EM1储库（图1a）。上述结果指示EM1端元的形成与古老含碳酸盐沉积物的再循环密切相关。 课题组对来自南太平洋和南大西洋的经典HIMU型洋岛玄武岩进行了高精度Zn同位素分析，发现它们的Zn同位素组成明显重于正常地幔和洋中脊玄武岩。Zn同位素与Os同位素的正相关性表明偏重的Zn同位素组成是HIMU地幔源区的固有特征，且这种特征明确指示HIMU源区含有再循环碳酸盐。基于此，课题组提出了HIMU端元的形成机制：（1）地表碳酸盐随大洋板片俯冲至地幔过渡带发生熔融，产生的碳酸岩熔体交代周围橄榄岩形成碳酸盐化橄榄岩；（2）碳酸盐化橄榄岩被俯冲板片裹挟进入下地幔，并在核-幔边界长期孤立演化，其放射成因同位素组成演化为HIMU特征（图1b）。由于俯冲的含碳酸盐组分在地幔过渡带熔融产生的碳酸岩熔体相较于地幔橄榄岩具有明显高的Zn含量，这种熔体交代周围地幔岩会使其Zn同位素组成明显变重。当受交代改造的碳酸盐化橄榄岩被上涌地幔柱携带至浅部熔融时，即可产生Zn同位素比洋中脊玄武岩明显偏重的HIMU型洋岛玄武岩。上述结果对HIMU端元的属性进行了充分制约，揭示了再循环地表碳酸盐参与HIMU端元形成的详细机制，为地表碳酸盐能够进入下地幔提供了关键的同位素证据。 上述成果建立了地幔富集组分EM1和HIMU与俯冲再循环的含碳酸盐地壳物质之间的成因联系，证实曾经位于地表的碳酸盐可俯冲进入核幔边界长期保存，并最终被上涌地幔柱携带至浅部地幔熔融从而贡献洋岛玄武岩的组成，记录了地球深部与地球表层之间的物质循环过程。这些认识为地球多圈层相互作用和地球深部碳循环过程提供了关键证据。 该主题代表性论文：
二、通过中国东部新生代玄武岩的地球化学研究，揭示了俯冲的含碳酸盐沉积物曾储存于地幔过渡带的关键证据，阐明了碳的深部循环引发地幔过渡带“超深熔融”的过程与机制，提出了识别“超深熔融”的有效地球化学指标。 地球物理观察和地球动力学模拟均发现，地幔过渡带往往是俯冲板片下沉的重要屏障，并造成俯冲板块在这一深度发生滞留，从而显著影响地幔过渡带的组成特征。因此，对地幔过渡带中含碳酸盐俯冲物质的储存及熔融行为的深入揭示，是我们理解地球物质深部循环机制的关键环节。实验岩石学的工作发现，碳的存在会显著影响到俯冲物质的深部熔融行为，显著增大俯冲物质在地幔中的熔融深度，甚至可能诱发含碳酸盐的俯冲沉积物在地幔过渡带发生“超深熔融”。然而，要识别如此深源的岩浆作用却极为困难。钾锰钡矿是再循环沉积物在地幔过渡带深度稳定存在的一个重要的高压富钾矿物，它的存在会对K、Ba等关键元素在部分熔融时的配分行为产生影响，因而可能是识别“超深熔融”的关键。因此，课题组聚焦含钾锰钡矿地幔物质的深部熔融行为，利用主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf-Mg多同位素的联合示踪方法，以新生代中国东部霞石岩和中国东北钾质玄武岩为主要突破口开展研究（图2）。
图2 霞石岩、钾质玄武岩的成因模式图 首先，课题组揭示了霞石岩和钾质玄武岩的地幔岩性特征，发现它们源区存在俯冲的含碳酸盐沉积物的一系列地球化学证据，主要包括：（1）二者均具有比地幔偏轻的Mg同位素组成，与地表含碳酸盐沉积物的Mg同位素特征相符；（2）霞石岩具有明显的Zr-Hf-Ti负异常特征，与天然火成碳酸盐岩浆的微量元素特征一致；（3）钾质玄武岩具有较低的U/Pb比、高的Hf/Hf*等特征，与计算的含碳酸盐沉积物衍生熔体的成分特征吻合；（4）与实验熔体的成分对比发现，霞石岩与碳酸盐化榴辉岩来源的实验熔体在主量元素上同样存在相似性。 通过对霞石岩的进一步研究，我们揭示了碳的深部循环诱发俯冲沉积物在地幔过渡带深度发生“超深熔融”的现象。与全球不同类型的幔源岩石的对比发现，中国东部霞石岩呈现出异常偏低的K/U和Ba/Th比值特征。这一现象主要受控于地幔过渡带的稳定矿物——钾锰钡矿。由于钾锰钡矿对K、Ba、Rb和Pb的相容性相较于Th、U和轻稀土元素更强，当俯冲的含碳酸盐沉积物在地幔过渡带发生熔融时，钾锰钡矿的残留控制了熔融体系中的K和Ba，最终导致霞石岩亏损这两个元素。据此我们也提出，低的K/U和Ba/Th比值是含碳酸盐沉积物在地幔过渡带发生“超深熔融”的诊断性地化指标。而这一俯冲物质的“超深熔融”新模式，更具有十分重要的普适科学意义。通过对全球霞石岩的数据统计表明，其中约40%的霞石岩具有低K/U和Ba/Th的特征，它们可能都是地幔“超深熔融”的产物。这就为揭示全球霞石岩的深部起源机制提供了重要约束，也为认识地幔过渡带的俯冲物质循环与挥发分的富集提供了新的研究思路。 与霞石岩相比，钾质玄武岩恰恰相反，其呈现出显著偏高的K/U和Ba/Th比值。这一特征是经历“超深熔融”后残余的俯冲沉积物，再循环到浅部地幔后并再次发生熔融的结果。在残余俯冲沉积物的浅部熔融过程中，由于钾锰钡矿不稳定发生分解，就为熔体提供了过剩的K和Ba，并最终导致钾质玄武岩具有富K、富Ba的地球化学特征。而残留物偏低的U/Pb比，又为其演化出EM1型的Pb同位素组成创造了有利条件。通过钾质玄武岩与霞石岩的对比研究，完整刻画出碳酸盐化地壳物质经地幔过渡带超深熔融改造后，再循环至上地幔发生浅部熔融的地球化学循环路径。这也为揭示地表物质驱动深部地球系统演化的机制提供了新的制约。 该主题代表性论文：
|
