Ba同位素指示亚速尔群岛OIB源区中富集物质来源

Azores位于北纬37-40°和西经24-32°之间，靠近中大西洋洋中脊，以及北美、非洲和欧亚板块之间的三重交界处，共由九个岛屿组成（图1）。研究表明，产生Azores OIB的地幔柱位于Terceira、Faial或São Jorge之下（Moreira et al., 1999; Moreira and Allègre, 2002; Madureira et al., 2005; Jean-Baptiste et al., 2009）。Azores OIB表现出放射成因同位素的极端不均一性（Turner et al., 1997; Widom et al., 1997; Beier et al., 2007, 2008; Elliott et al., 2007; Millet et al., 2009; Waters et al., 2020; 图2），表明其地幔源区存在不同的富集组分，包括HIMU、EMII等。为进一步研究Azores地幔源区富集物质的来源，本研究选取了来自Azores五个岛屿的59个样品进行了Ba同位素研究。

图1 亚速尔群岛的地理位置

图2 Azores五个岛屿OIB样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb组成

Ba在地幔部分熔融时是高度不相容元素，因此地壳比地幔富集Ba（Sun and McDonough, 1989; Rudnick and Gao, 2003）。Ba在板块脱水过程中是流体活动性元素（Kessel et al., 2005），这使其成为流体-岩石反应的敏感指标，并被用来示踪俯冲过程中的流体。已有的研究表明，MORB和上地幔的Ba同位素相对均一（δ^138/134 Ba为+0.03至+0.14‰，Nielsen et al., 2018; Li et al., 2020; Nan et al., 2022）。相对而言，地表物质的Ba同位素变化范围较大，海水和地壳物质（如洋壳、陆壳、冰川杂岩等）的δ^138/134Ba变化范围为-0.63至+0.95‰（Horner et al., 2015; Nan et al., 2018; Deng et al., 2021等）。尽管大多数海洋沉积物的Ba同位素特征与MORB的平均值相似，但蚀变洋壳的δ^138/134Ba的变化范围为-0.23至+0.40‰（Nan et al., 2017; Nielsen et al., 2018; Wu et al., 2020），相对较大。因此，俯冲物质加入地幔，很可能对地幔的Ba同位素产生明显的影响。

图3 δ^138/134Ba与（a）Ba/Th、（b）²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb和（c）⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的关系图。模拟结果表明，来自地幔柱的熔体与带有俯冲流体特征的地幔楔组分（蓝色）混合，可以产生Terceira样品的Ba同位素特征。

本文分析的样品中，显示出两种类型的Ba同位素特征。来自Faial、Pico、São Jorge和São Miguel四个岛的样品显示出均一且类似MORB的Ba同位素组成；而来自Terceira岛的样品，其δ^138/134Ba值范围为-0.03至+0.24‰，明显大于其他样品的变化范围（图3）。一些来自São Jorge和Terceira的样品具有较高的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb值，代表了地幔柱源区中富集的HIMU/FOZO组分。来自São Jorge的样品，其Ba同位素组成与MORB一致。Terceira部分样品具有高²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb值，其Ba同位素组成也与MORB一致。而Terceira样品中Ba同位素偏重的，其²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb值偏低。这些表明地幔柱源区中HIMU/FOZO富集端元的Ba同位素组成接近上地幔和MORB值。

Terceira样品中δ^138/134Ba与²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb呈负相关，与Ba/Th呈正相关，反映了地幔柱与一个存在于Terceira地幔、富集重Ba同位素、且被流体改造过的端元混合的特征（图3）。该端元的同位素和元素特征很可能继承于俯冲蚀变洋壳。但由于Azores位于远离俯冲带，其源区不存在直接来自俯冲带的俯冲蚀变洋壳。因此，该富集端元很可能是一个古老的、来自俯冲带、被流体交代过的地幔楔残片。该地幔楔残片在地幔对流过程中被运移到Terceira之下较浅的部位，并与上升的地幔柱反应，生成了具有重Ba同位素、高Ba/Th特征的OIB样品（图4）。

图4 Azores地幔源区中具有俯冲变质流体特征的地幔楔组分来源卡通图。

本研究用Ba同位素示踪了OIB源区存在受俯冲流体交代的再循环地幔楔组分，为进一步利用Ba同位素示踪俯冲物质再循环过程提供重要信息。

研究成果以“Barium isotope evidence of a fluid-metasomatized mantle component in the source of Azores OIB”为题，9月9日在线发表在国际权威学术期刊《Chemical Geology》上。论文第一、通讯作者是中国科学技术大学黄方教授课题组的于慧敏副研究员。研究获得了国家自然科学基金（42173003）等项目的支持。