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南晓云,Feb. 9, 2022
钡 (Ba) 是大离子亲石元素，属于碱土金属，也是流体活动元素。Ba在地幔熔融和玄武岩演化过程中高度不相容，因此在地壳中含量远高于地幔。近来发现，Ba同位素在低温环境和流体作用下可发生显著的分馏，而在高温基性和中性岩浆过程中分馏有限。因此，Ba同位素得到了越来越多的关注，可以作为示踪地壳物质俯冲再循环的新工具，特别有助于鉴别流体和沉积物对地幔的影响。准确获取上地幔Ba同位素组成是开展应用研究的前提，但是目前关于地幔Ba同位素组成的研究很少，还存在很大的争议。
大洋中脊约占全球喷发岩浆总量的75%，洋中脊玄武岩 (MORB) 熔融过程相对简单，是制约上地幔组成的主要对象。美国Woods Hole海洋所的Sune G. Nielsen等2018年在Science Advances上 报道了21个MORB的δ138/134Ba (+0.02 ~ +0.15‰)，并估计亏损MORB地幔 (DMM) 的δ138/134Ba为~ +0.14‰。中国科大的李王晔等利用火成碳酸岩 (δ138/134Ba=-0.04‰ ~ +0.12‰) 来估计上地幔的Ba同位素组成 (Li et al., 2020)。Nielsen等得到MORB的平均δ138/134Ba为+0.07±0.08‰ (2SD)，与Li et al. (2020) 火成碳酸岩的平均δ138/134Ba (+0.05±0.06‰, 2SD)一致，然而前者估计的DMM的Ba同位素平均值却比后者估计的地幔平均值 (δ138/134Ba=+0.05±0.06‰, 2SD) 明显偏重。二者差异虽然不到毫厘（0.14‰ vs 0.05‰），但是会使得对俯冲物质如何改造地幔的制约产生巨大争议，严重影响Ba同位素在地幔地球化学中的应用。
选择合适的MORB样品和高质量的同位素测量是准确估计DMM的关键。中国科大黄方课题组的南晓云等最近报道了30个大洋玄武岩的Ba同位素数据，包括25个MORB和5个弧后盆地玄武岩(BABB)，希望通过更多代表性的样品重新估计DMM的平均Ba同位素组成。这些玄武岩的δ138/134Ba变化范围为-0.06 ~ +0.11‰。基于具有低 (La/Sm)N (< 0.8)、 87Sr/86Sr (< 0.70263)和Ba/Th (<71.3) 的D-MORB样品（图1），估算出DMM的平均δ138/134Ba为+0.05±0.05‰ (2SD, n=16)，这个值明显低于Nielsen 等报道的DMM组成(0.14‰)。 
图1： MORB和BABB样品的δ138/134Ba与(a) (La/Sm)N, (b) 87Sr/86Sr, (c) Ba/Th相关性图解。文献[7]为Nielsen et al. (2018).
综合对比发现，平均值的估计产生差异的原因是样品的选择。Nielsen等只根据87Sr/86Sr最低、δ138/134Ba最高的两个样品来估计DMM的组成，这样的样品数量很小，且选择的87Sr/86Sr不具代表性，因此他们对于DMM的估计可能存在问题。实际上，无论是DMM还是富集地幔端元，其放射成因同位素比值范围都很大。对于Nielsen et al. (2018)的MORB样品，具有低87Sr/86Sr (< 0.7024) 的样品的δ138/134Ba变化范围较大(+0.03‰ ~ +0.14‰)，且与87Sr/86Sr > 0.7030的样品δ138/134Ba (+0.02‰ ~ +0.11‰) 存在较大的重叠，因此不能简单的根据87Sr/86Sr来选择计算DMM的MORB样品。
根据重新估计的DMM平均Ba同位素组成，南晓云等进一步地制约了E-MORB源区中再循环的地壳组分，并提出了新的解释。Nielsen等认为E-MORB相对D-MORB具有偏轻的Ba同位素组成，而沉积物 (0.01±0.04‰, 2SD) 与E-MORB (+0.03 ± 0.02‰, 2SD) 具有相同的δ138/134Ba范围，他们据此推断E-MORB中Ba同位素的变化反映了亏损地幔源区中广泛的沉积物组分加入。然而，新的观察结果表明，MORB的 δ138/134Ba随着87Sr/86Sr 和Ba/Th的升高呈现更离散的扇形分布，而非Nielsen等认为的单一混合趋势（图1）。如果应用新估计的DMM平均δ138/134Ba，E-MORB的Ba同位素特征来源于地幔源区广泛存在再循环的沉积物组分这一推论是不合理的。已有研究显示，地壳不同组分（比如沉积物、蚀变洋壳，冰碛岩等）的δ138/134Ba变化范围很大。虽然蚀变洋壳相对于沉积物并没有更高的Ba含量和87Sr/86Sr，先前的工作已经发现了蚀变洋壳对于弧岩浆地幔源区Ba同位素组成有贡献 (Wu et al., 2020; Hao et al., 2022)。我们的研究对E-MORB的成因提出新的制约。前人认为E-MORB中富集组分有可能是地幔熔体交代改造地幔产生的，但是E-MORB的Ba同位素组成清楚地反映了蚀变洋壳和/或沉积物的贡献，说明俯冲再循环对于E-MORB源区的形成非常重要。
相关工作近期被核心期刊Journal of University of Science and Technology of China（JUSTC）接收，论文第一作者和通讯作者是中国科大南晓云特任副研究员，合作者包括中国科大的黄方教授、于慧敏副研究员和康晋霆特任副研究员。该项研究得到了国家自然科学基金（42073007，41803003）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（WK2080000149）的资助。
论文信息：Xiao-Yun Nan*, Hui-Min Yu, Jin-Ting Kang, Fang Huang. (2022) Re-visiting barium isotope compositions of mid-ocean ridge basalts and the implications. Journal of University of Science and Technology of China. Doi: 10.52396/JUSTC-2021-0276.
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