最近，我校与西北大学、日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)、德国马普化学所和东京大学的研究人员合作，在地幔地球化学领域取得重要进展。该国际团队以锌稳定同位素为主要示踪手段，通过研究全球范围内具有代表性的洋岛玄武岩，发现来自地表的碳酸盐组分在地幔HIMU（Highμ，μ=238U/204Pb）端元的形成过程中发挥了重要的作用，从而为地表碳酸盐可以进入深部地幔提供了关键的同位素证据。


图1 地球上各个储库的锌同位素组成

地表的碳酸盐能否通过板块俯冲进入下地幔是一个长期争议的话题。起源于下地幔的地幔柱上升到上地幔浅部后会发生熔融，产生的岩浆喷出地表形成洋岛玄武岩(Ocean Island Basalt, OIB)，因此OIB是了解下地幔物质组成的主要途径。由于地表碳酸盐相对于正常地幔具有明显偏重的锌同位素组成（图1），因而OIB的锌同位素组成可以用于示踪下地幔中是否存在再循环的地表碳酸盐组分。基于此，该团队选择来自南太平洋Cook-Austral群岛和南大西洋St. Helena火山岛的经典HIMU型OIB样品（206Pb/204Pb>20.5）作为研究对象，在南京大学表生地球化学教育部重点实验室开展了高精度锌同位素分析。研究发现这些HIMU型OIB的锌同位素组成（δ66Zn =0.38±0.03‰，图2）明显偏重于正常地幔（δ66Zn =0.16±0.06‰）和绝大多数其它大洋玄武岩（δ66Zn =0.31±0.10‰）。


图2 Sr-Zn同位素相关图展示再循环碳酸盐与HIMU型地幔端元的形成过程

模拟计算表明HIMU型OIB明显偏重的锌同位素组成特征无法由部分熔融和岩浆分异过程产生。锌同位素（δ66Zn）与锇同位素(187Os/188Os)之间存在的相关性表明偏重的锌同位素组成是HIMU组分地幔源区的固有特征，且与再循环物质有关。结合这些玄武岩的全岩地球化学特征、橄榄石斑晶成分以及熔体包裹体中存在的碳酸盐矿物等观察，表明其源区为碳酸盐化的橄榄岩。当地表碳酸盐沉积物俯冲至地幔过渡带时会发生熔融，产生的碳酸盐熔体并交代周围橄榄岩，从而产生碳酸盐化橄榄岩；碳酸盐化橄榄岩随俯冲板片一起进入下地幔，并在核-幔边界长期存留，其Sr-Nd-Pb同位素组成演化为HIMU特征（图2）；这种碳酸盐化橄榄岩最终由上升的地幔柱携带至上地幔浅部发生熔融，产生的岩浆喷出地表形成了HIMU型OIB（图3）。该研究不仅厘清了HIMU型玄武岩和地幔HIMU端元的成因，还为地表碳酸盐参与地球内部过程提供了可信的证据。


图3 HIMU组分的形成及其与地表物质循环过程的联系

相关成果以“Zinc isotopic evidence for recycled carbonate in the deep mantle”为题发表于国际一流综合性学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。南京大学地球科学与工程学院博士研究生张笑宇为论文第一作者，南京大学兼职教授、西北大学陈立辉教授为论文通讯作者。参与这项研究的还有我校地球科学与工程学院的李伟强教授、曾罡副教授和苟文贤博士，西北大学的王小均博士，日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)的羽生毅博士，德国马普化学所的Albrecht W. Hofmann教授，东京大学的Tsuyoshi Komiya教授、Kentaro Nakamura教授和Yasuhiro Kato教授。该工作得到了国家自然科学基金（42130310, 41973001）的资助和支持。

论文信息：Zhang XY., Chen LH., Wang XJ., Hanyu T., Hofmann A.W., Komiya T., Nakamura K., Kato Y., Zeng G., Gou WX., Li WQ. (2022) Zinc isotopic evidence for recycled carbonate in the deep mantle. Nature Communications, 13, 6085.

论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-022-33789-6