近日，中科院海洋所大洋岩石圈与地幔动力学课题组在大洋中脊玄武岩（MORB）地幔源区Fe同位素不均一成因方面取得新进展，相关成果刊发在国际地学自然指数（Nature Index）期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。
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& w9 Y7 U1 ^- o$ q 研究团队基于对东太平洋洋隆海山玄武岩的Fe同位素研究（Sun 等，2020， GCA），提出全球大洋上地幔富重Fe同位素的特征是低程度部分熔融熔体（low-F melt）地幔交代作用形成的。为了检验该假设思想是否具有全球意义，本研究以洋盆演化历史短、洋脊扩张速率慢的大西洋为研究区，选取大西洋35°N OH-1段洋脊的富集型洋脊玄武岩（图1；Guo et al., 2021）为研究对象进行了详细的Fe同位素组成研究。4 J4 P1 e( L+ L/ ?
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图1 （a）全球目前有Fe同位素组成数据报道的MORB的分布图；（b）本文研究区的位置；（c）本文样品的采样点（红色实心圆）' R8 ^# M# L+ U& v/ M
研究团队发现，这些MORB在如此小的空间分布范围内展示了较大的Fe同位素组成变化（+0.03‰到+0.18‰）。除此之外，这些样品的Fe同位素组成和不相容元素的含量（如：K2O、Ba、La）以及其比值（如：[La/Sm]N、K2O/TiO2、Zr/Y）均显示了良好的相关性（图2），而且Fe同位素组成还与Sr-Nd-Hf同位素也有相关性。研究认为洋底蚀变、部分熔融、岩浆演化以及浅部岩浆房内的岩浆混合等过程均不是导致这些MORB Fe同位素系统性变化的原因。而这些地球化学组成系统性变化主要反映的是地幔源区的不均一性。
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图2 本研究中MORB样品Fe同位素组成与不相容元素及不相容元素比值的相关关系图
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, T1 B0 R! a3 U: L. Q 研究认为，这些MORB的地幔源区主要由富集不相容元素、富集重Fe同位素的富集端元和一个亏损不相容元素、亏损重Fe同位素的亏损端元混合而成。亏损端元可以认为是亏损地幔，而富集端元则是低程度部分熔融熔体（low-F melt）地幔交代作用是形成的（如：Guo et al., 2021）。因为Fe3+往往和重Fe同位素具有亲和性，Fe2+往往和轻Fe同位素具有亲和性，而且Fe3+在部分熔融过程中比Fe2+更不相容，因此低程度部分熔融形成的交代介质（low-F melt）不仅富集不相容元素，而且富集重Fe同位素。那么形成的交代地幔（富集端元）也具有富集重Fe同位素的特征。2 i7 B9 s6 D- ?+ z( A
/ S1 O. u5 A/ n% U( ~; M7 E) {$ f 研究推断该low-F melt地幔交代过程往往发生于大洋岩石圈地幔底部，形成交代脉（如：辉石岩脉）分布于周围地幔中。交代地幔随着大洋岩石圈被俯冲下去后又循环至上地幔，便可以造成上地幔Fe同位素的极大的不均一性（图3）。该不均一地幔物质循环至MORB地幔源区时，会发生部分熔融导致的两端元混合，产生我们看到的两端元混合趋势（图2 & 3）。此外，如果该循环过程时间足够长（>1.0 Ga），便会产生放射性成因的Sr-Nd-Hf同位素与Fe同位素组成的相关性。4 W `& \& ^( ~- A% J& B& h9 K# {
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: w' N3 C. n- Z& e. s, l图3 （a）和（b）描述了low-F melt地幔交代作用发生在大洋岩石圈底部形成交代地幔，然后俯冲下去又循环至MORB地幔源区；（c）模拟计算该不均一地幔发生部分熔融可以产生Fe同位素组成与地幔交代作用指标（如：[La/Sm]N）的相关性。8 y: L$ p7 u( d! g3 ~' O/ V0 w# u' _
% L$ D5 p8 u$ \; |& G 为了从全球角度理解该深部过程的普遍性，该研究还统计了目前发表的所有的MORB Fe同位素数据（图1 & 4）。统计结果发现，全球MORB的Fe同位素与地幔交代作用的指标（如：K/Ti、[La/Sm]N、Nb/Y、Zr/Y,）呈现了一阶相关性。这些良好的一阶相关性说明，low-F melt地幔交代作用过程导致的上地幔富集重Fe同位素组成具有全球意义。
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图4 全球MORB的Fe同位素与地幔交代作用的指标（如：[La/Sm]N）的相关性
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1 B0 |% G2 Q. }( t 论文的第一作者兼通讯作者为中国科学院海洋研究所副研究员郭鹏远。研究得到了国家自然科学基金、国家自然科学基金委-山东省联合基金以及“111计划”项目的共同资助。7 Q9 A" W7 E3 v# z+ `$ Y8 B- Y- D
/ [9 R& L" n2 d' w8 k; f% ^ 相关论文：
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3 e' Y4 N9 Y2 z! I Guo, P., Niu, Y., Chen, S., Duan, M., Sun, P., Chen, Y., Gong, H., Wang, X., 2023. Low-degree melt metasomatic origin of heavy Fe isotope enrichment in the MORB mantle. Earth Planet. Sci. Lett. 601, 117892 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X22005283)3 U2 G5 V& X* V! U/ h/ n' Q
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: V9 b6 y- L- n/ i* Q. c7 M Guo, P., Niu, Y., Sun, P., Zhang, J., Chen, S., Duan, M., Gong, H., Wang, X., 2021. The nature and origin of upper mantle heterogeneity beneath the Mid-Atlantic Ridge 33–35°N: A Sr-Nd-Hf isotopic perspective. Geochim. Cosmochim. Acta 307, 72-85 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721003069)3 P M' R+ n5 p0 z. P( S
Q" X' L# E J Sun, P., Niu, Y., Guo, P., Duan, M., Chen, S., Gong, H., Wang, X., Xiao, Y., 2020. Large iron isotope variation in the eastern Pacific mantle as a consequence of ancient low-degree melt metasomatism. Geochim. Cosmochim. Acta 286, 269-288 (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016703720304592)( `. A* [! H5 ^9 N/ r1 C: X V
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