近日，国际地学期刊Earth and Planetary Science Letters（Nature Index）刊发了中国科学院海洋研究所曾志刚研究员课题组陈祖兴副研究员与合作者关于古俯冲流体改造地幔组分在塑造现今洋中脊玄武岩地幔不均一性方面的最新研究成果，为理解全球洋中脊玄武岩中“幽灵岛弧信号”的形成机制提供了全新视角。

远离俯冲带的大洋中脊系统不受俯冲作用影响（图1）。然而，越来越多的研究发现部分洋中脊玄武岩具有典型的岛弧岩浆地球化学特征，如Nb负异常以及俯冲板片流体的印记（如高H₂O/Ce与Ba/Th比值等），被称为“幽灵岛弧信号”。然而，其成因机制仍存在争议，包括地幔柱物质的加入、再循环沉积物的贡献、古老克拉通岩石圈地幔的混染以及俯冲改造地幔组分的参与等。鉴于这些不同端元组分可能共同影响洋中脊玄武岩的地球化学特征，通过传统放射性同位素方法精确限定洋中脊玄武岩中“幽灵岛弧信号”的具体成因仍具挑战性。

图1 全球洋中脊和岛弧玄武岩Mo同位素组成特征及St. Helena地幔柱-南大西洋洋中脊系统的深部结构的地震层析成像

近年来，钼（Mo）同位素体系在示踪壳幔物质循环方面表现出巨大的潜力。俯冲板片在弧下深度脱水释放重Mo同位素交代上覆地幔楔导致岛弧岩浆（如马里亚纳、伊豆小笠原、堪察加等），相对于洋中脊玄武岩具有更重的Mo同位素组成（图1A）。此外，由于还原沉积物富集重Mo同位素，受俯冲还原沉积物影响的小安的列斯岛弧岩浆也表现出重Mo同位素特征（图1A）。与之相对，脱水残余板片则富集轻Mo同位素，其通过深俯冲再循环作用导致HIMU型洋岛玄武岩（如St. Helena）表现出异常轻的Mo同位素特征（图1B）。而EM-1型洋岛玄武岩以及受EM-1型地幔柱影响的南大西洋46-53°S洋中脊玄武岩中出现的重Mo同位素信号（图1B）与还原沉积物的俯冲再循环有关。因此，通过结合Mo同位素与放射性同位素体系，能够有效区分HIMU与EM-1型地幔柱对洋中脊玄武岩的影响，并准确识别其中俯冲改造地幔组分的贡献。

图2 全球洋中脊玄武岩和受俯冲流体影响岛弧玄武岩的Mo同位素组成

为此，研究人员分析了受St. Helena地幔柱影响的南大西洋洋中脊玄武岩的Mo同位素，识别出与受俯冲流体影响的岛弧玄武岩相似的重Mo同位素信号（图2），且具有相对较低的(La/Sm)N、Nb/Zr和Ce/Pb比值以及不富集的Sr-Nd同位素组成。这些地球化学特征既不能通过亏损地幔与再循环沉积物或岩石圈地幔物质的相互作用来解释，也无法归因于St. Helena地幔柱对其地幔源区的影响。结合地震层析成像和板块重建模型，这些独特的地球化学特征反映了中生代时期冈瓦纳超大陆西南缘俯冲流体改造地幔的贡献（图3）。这一发现不仅为古俯冲流体改造地幔在塑造现今洋中脊玄武岩地幔不均一性中的重要作用提供了关键证据，同时也为理解全球洋中脊玄武岩中"幽灵"岛弧特征的形成机制提供了全新视角。

图3 南大西洋洋中脊玄武岩中岛弧型重Mo同位素信号形成示意图

论文第一作者和通讯作者为中国科学院海洋研究所陈祖兴副研究员，合作者包括美国华盛顿大学Fang-Zhen Teng教授、美国得克萨斯大学达拉斯分校Robert J. Stern教授、中国科学院广州地球化学研究所李杰研究员以及中国科学院海洋研究所张玉祥副研究员和曾志刚研究员。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目联合支持。

论文信息：

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.