近日，中国科学院海洋研究所孙卫东研究员团队刘海洋等人在国际地学期刊Earth and Planetary Science Letters发表最新研究成果，首次发现了洋壳物质再循环导致的洋岛玄武岩钾同位素异常，约束了洋岛玄武岩地幔源区再循环的洋壳性质及演化规律。

前人对洋岛玄武岩的成因机制开展了大量研究，结果发现洋岛玄武岩具有显著不均一的地球化学组成，基于其成分差异可以将地幔划分为不同的端元：EM I，EM II和HIMU等。目前学者广泛认为不同类型地幔端元的形成主要归因于再循环地壳物质的贡献。然而，目前尚不清楚再循环地壳组分在深部地幔的相互作用过程及其如何影响洋岛玄武岩的成分。例如，不同喷发期次洋岛玄武岩的组成变化规律及成因机制仍存在争议，并且如何有效区分再循环的（下）洋壳组分与岩石圈地幔仍存在困难。作为高度不相容元素，钾元素在地壳中更为富集，并且低温地质过程可以导致显著的钾同位素分馏，而高温岩浆过程钾同位素分馏较小。因此，钾同位素体系具有示踪地壳物质再循环的潜力。近期研究显示，深俯冲的低温蚀变洋壳具有显著轻于地幔的钾同位素组成，而高温蚀变洋壳则具有重于地幔的钾同位素组成。因此，钾同位素不仅可以示踪再循环洋壳物质，而且具有区分不同再循环洋壳端元（即上部洋壳或下部洋壳）的潜力。前人研究认为北大西洋马德拉群岛（图1）洋岛玄武岩地幔源区存在地壳物质的贡献，并且造盾期（shield stage）和后侵蚀期（post-erosional）存在较为显著的地球化学组成差异。然而前人的研究无法有效判断不同期次洋岛玄武岩地幔源区的再循环组分，也无法有效判断后侵蚀期是否存在再循环的组分。

图1 北大西洋马德拉群岛（Madeira Archipelago）地质简图

基于以上，本研究系统分析了马德拉不同期次洋岛玄武岩的钾同位素组成特征。结果发现，造盾期洋岛玄武岩具有相对偏轻的钾同位素组成，而后侵蚀期洋岛玄武岩具有相对偏重的钾同位素组成，并且随着喷发时间，洋岛玄武岩钾同位素组成表现出变重的变化规律（图2）。为验证洋岛玄武岩钾同位素组成差异的准确性，本研究分别在南京大学、合肥工业大学、中国地质大学（北京）3家实验室开展了独立的钾同位素分析测试工作，分析结果具有很好的重现性，证实了马德拉洋岛玄武岩造盾期和后侵蚀期钾同位素组成差异的真实性。

图2 北大西洋马德拉群岛（Madeira Archipelago）洋岛玄武岩钾同位素与Sr-Nd-Pb-Hf-O同位素组成相关性图解(a-e)，钾同位素与喷发年龄图解(f)

结合洋岛玄武岩钾同位素组成与Sr-Nd-Pb-Hf-O同位素组成的相关性，本研究认为马德拉洋岛玄武岩钾同位素变化是由于地壳物质的再循环导致的。通过定量模拟计算（图2），本研究认为马德拉洋岛玄武岩源区再循环的洋壳组分包含经历低温蚀变的上洋壳和经历高温蚀变的下洋壳，并且从造盾期到后侵蚀期，再循环上洋壳的组分逐渐降低，而下洋壳的组分逐渐升高（图3）。这表明再循环的较为富集地壳物质更容易发生反应并参与熔融形成早期的洋岛玄武岩，而后期参与到洋岛玄武岩地幔源区的组分主要为较为亏损的地壳物质（图3）。结合前期研究工作，该研究系统揭示了海水蚀变、俯冲变质和地幔熔融过程中的钾同位素地球化学行为，并利用钾同位素体系揭示了洋岛玄武岩地幔源区的壳幔相互过程以及地幔源区演化规律（图3）。

图3 马德拉洋岛玄武岩成因示意图及海水蚀变、俯冲变质和地幔熔融过程中的钾同位素地球化学行为

该论文第一作者为中国科学院海洋研究所刘海洋副研究员，通讯作者为刘海洋副研究员和孙卫东研究员。合作者包括山东省地质科学研究院薛颖瑜，德国基尔大学Jörg Geldmacher, Kaj Hoernle，德国柏林自由大学Uwe Wiechert，南京大学安诗超，合肥工业大学孙贺和顾海欧，中国地质大学（北京）李晓强，美国圣路易斯华盛顿大学王昆，中国科学院海洋研究所田凡凡、祝红丽。研究得到了国家自然科学基金委项目和中国科学院先导项目等资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24004473

论文信息：

Haiyang Liu, Ying-Yu Xue, Jörg Geldmacher, Kaj Hoernle, Uwe Wiechert, Shichao An, Hai-Ou Gu, He Sun, Fanfan Tian, Xiaoqiang Li, Kun Wang, Hongli Zhu, Wei-Dong Sun. Potassium isotope evidence for subducted upper and lower oceanic crust in ocean island basalt sources. Earth and Planetary Science Letters, 2024.646, 119015.

作者：刘海洋