大陆钾质玄武岩的Fe同位素揭示EMI型地幔储库的岩性

地壳组分（如洋壳、沉积物等）可以通过俯冲、拆沉等再循环过程进入到深部地幔。由于二者之间的成分差异，该过程会改变地幔的组成，从而造成地幔的化学与岩性不均一性。最初在一些洋岛玄武岩（如Pitcairn岛、Kerguelen-Heard岛等）中识别出的EMⅠ型富集地幔端元，其形成往往被认为与上述过程密切相关。这些玄武岩通常具有极低的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、中等的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和极低的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb，在放射性成因同位素组成上呈现出EMⅠ端元与其他地幔端元混合的趋势。由于大多数EMⅠ型洋岛玄武岩形成于较高的地幔柱温度，其具有较高的部分熔融程度，导致其源区EMⅠ端元的信号被相对稀释，为我们理解EMⅠ地幔端元的特征、成因来源等造成困难，存在许多争议。

分布于我国东北松辽盆地北侧和大兴安岭地区的新生代钾质玄武岩（K₂O/Na₂O>1）作为玄武岩的一个重要亚类，其具有比EMⅠ型洋岛玄武岩更为极端的放射性成因同位素组成特征（图1），为我们理解EMⅠ地幔端元的形成提供了理想的研究对象。早期研究多认为，这些钾质玄武岩主要来源于交代岩石圈地幔，是含金云母橄榄岩部分熔融的产物，其富钾特征来自于源区的含水矿物金云母。但对钾质玄武岩分布区下的地幔橄榄岩捕掳体的研究发现，研究区的岩石圈地幔具有比钾质玄武岩显著亏损的放射性同位素组成，并不合适作为钾质玄武岩的源区。因此，再循环地壳物质逐渐被用于解释上述EMⅠ特征，富钾的特征来自于再循环物质在深部形成的钾锰钡矿。而上述两种成因模型的核心差异，在于钾质玄武岩的源区岩性，究竟是交代的橄榄岩还是再循环的榴辉岩？围绕这一科学问题，“幔游”课题组选择东北地区五大连池、科洛、二克山和洛敏河四个钾质火山区的玄武岩为主要研究对象，并对比典型的EMⅠ型洋岛玄武岩，以橄榄石斑晶的元素组成和玄武岩的Fe同位素为示踪手段，深入揭示了EMⅠ地幔端元的岩性特征。

图1 中国东北钾质玄武岩的分布及Nd–Pb同位素组成

中国东北钾质玄武岩中的橄榄石斑晶成分具有低Ni、低Fo和低Ni/(Mg/Fe)的特征（图2a），这一特征与EMⅠ型Pitcairn洋岛玄武岩中的橄榄石组成特征相似，反映二者具有相似的源区岩性，也即是榴辉岩。在Fe同位素组成上，东北钾质玄武岩(δ⁵⁷Fe = 0.15‰–0.28‰)具有比大洋中脊玄武岩（MORB；δ⁵⁷Fe = 0.16±0.04‰）明显重的铁同位素组成，且其铁同位素与K₂O、SiO₂、K/U、Rb/Y、Nd–Mg同位素等存在明显相关性，表明其受到两端元混合作用的影响；EMⅠ富集地幔端元具有重的Fe同位素，这一特征无法用简单的分离结晶、地壳混染等浅部过程解释。定量计算表明，上述独特的Fe同位素特征主要受控于地壳物质的深部循环，EMⅠ地幔端元的岩性更可能是榴辉岩而非橄榄岩；而榴辉岩来源熔体在上升过程中与地幔橄榄岩的相互作用过程是造成钾质玄武岩成分特征变化的根本原因（图2b）。

图2 (a) 中国东北钾质玄武岩中橄榄石斑晶的组成特征；(b) 中国东北钾质玄武岩的Fe–Nd同位素组成变化及成因计算模拟

上述研究表明，大洋与大陆的EMⅠ型玄武岩源区具有相似的岩性特征，榴辉岩是EMⅠ型富集地幔端元的重要组成岩性。这一认识加深了我们对地球深部物质组成及地壳物质地内循环过程的理解，相关成果发表在国际地学重要期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》（Nature Index刊物，影响因子4.390）上。施金华博士为论文第一作者，曾罡副教授为通讯作者，陈立辉教授、王小均副教授、刘建强副教授、谢烈文正高级工程师、杨岳衡研究员和张慧丽博士生参与了本次研究。该工作得到国家重点研发计划（2022YFF0800404）、国家自然科学基金重点项目（42130310）、中央高校基本科研基金（Grant 0206-14380166, 0206-14380114）和关键地球物质循环前沿科学中心（DLTD2105）的资助。

文章信息：Shi, J.-H., Zeng, G.*, Chen, L.-H., Wang, X.-J., Liu, J.-Q., Xie, L.-W., Yang, Y.-H., Zhang, H.-L., (2023). Lithology of EM1 reservoir revealed by Fe isotopes of continental potassic basalts. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2022JB025133.

原文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JB025133