洋岛玄武岩钡同位素示踪地幔过程

01洋岛玄武岩

洋岛玄武岩(ocean island basalt, OIB)由深源的地幔柱在地球浅部发生部分熔融而形成，OIB为研究深部地幔成分提供了重要窗口，并揭示了地幔中俯冲再循环的地壳物质的存在。基于对OIB的放射成因同位素组成的研究发现，地幔成分高度不均一，可以划分为不同的地幔端元：亏损地幔 (DMM)、富集地幔1(EM1)、富集地幔2 (EM2)、高μ (μ=²³⁸U/²⁰⁴Pb，HIMU)、FOZO (高³He/⁴He) (White and Hofmann, 1982; Zindler and Hart, 1986; Hart et al., 1992)。虽然普遍认为地幔端元的形成与不同地壳物质的俯冲有关，但是不同地幔端元的明确成因一直以来有所争议。

这些地幔端元的源区可以通过新鲜OIB的稳定同位素组成来示踪。因为(1) 钡(Ba)在地幔部分熔融过程中高度不相容，Ba元素浓度在地壳中远远大于地幔 (Hofmann, 2003)；(2)Ba同位素组成在不同地壳物质中有显著不同 (图1)，因此Ba同位素可以作为示踪地壳物质俯冲的灵敏示踪工具。

图1. 已发表不同地球储库的Ba同位素组成。

图2. 本研究的洋岛玄武岩采样地点分布。

02数据分析

本文研究了全球代表不同地幔端元的洋岛玄武岩样品的Ba同位素组成(图2，图3)：Pitcairn Island (EM1), Samoan hotspot (EM2), St. Helena (HIMU), Cook-Austral Islands (HIMU), Iceland hotspot (high³He/⁴He)和Caroline Islands。结果表明，不同地幔端元的OIB的Ba同位素组成有可以分辨的差异(图1)，δ^138/134Ba和1/Ba图中没有观察到简单的线性二端元混合(图4)。为了研究地幔源区的特点，首先要排除岩浆分异对Ba同位素的影响。我们测量了一套来自冰岛的Hekla火山样品的Ba同位素组成。前人研究Hekla火山发现其具有非常均一的放射成因同位素组成(比如²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)，这表明Hekla火山具有非常均一的地幔源区。因此Hekla火山是研究岩浆分异作用过程中的Ba同位素分馏的天然实验室。Hekla研究结果表明，尽管Ba元素在MgO浓度2.3 wt%到8.0 wt%一直表现为不相容特点，但Ba同位素组成和MgO浓度之间没有明显相关趋势(图4a)，这表明Ba同位素在岩浆分异程度更小(MgO > 2.3 wt%)的情况下不太可能发生分馏。

图3. 样品的放射成因Pb和Nd同位素组成。

本文研究样品涵盖了各地幔端元：EM1、EM2、HIMU、高³He/⁴He地幔端元。

图4. Ba同位素和(a) MgO与(b) 1/Ba图。(a)Hekla样品研究表明，在MgO > 2.3 wt%时，Ba同位素不太可能受岩浆分异的影响。(b) δ^138/134Ba和1/Ba图中未观察到简单的二端元混合关系。

另一个可能改变岩浆Ba同位素组成的过程是低温蚀变作用。因为不同元素在低温蚀变过程中流体活动性不同，因此可以通过使用一些元素比值来判断样品是否经历过显著的低温蚀变作用。根据前人研究发现，U元素在地表流体活动性很强会随流体丢失，Th元素流体活动能力较弱，使得发生蚀变的样品Th/U升高。同样地，Rb元素比Ba元素的流体活动性强，使得发生蚀变的样品Ba/Rb升高。结合前人的研究，我们使用了Th/U > 4.5和Ba/Rb > 30来判断样品有没有受到后期低温蚀变的影响(图5)。

图5. Ba同位素组成与Ba/Rb、Th/U关系图。Th/U > 4.5和Ba/Rb > 30的样品可能经历了低温蚀变，不能反映地幔源区的Ba同位素信号。

图6. Ba同位素组成和放射成因Pb、Nd的关系图。EM2样品在δ^138/134Ba和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd图中有正相关趋势。HIMU样品在δ^138/134Ba和²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb图中有强线性相关性。

排除了岩浆分异和低温蚀变过程的影响，Ba同位素组成反映了样品源区的Ba同位素信号。从δ^138/134Ba和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd的关系中，EM2样品具有一个粗略的正相关趋势(图6a)，可以用非均质的地壳物质俯冲进入亏损FOZO地幔的二端元混合模型来解释(图7)。从δ^138/134Ba和²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb的关系中，HIMU样品具有明显的线性正相关趋势(图6b)，我们使用了Permutation test (Lehmann and Romano, 1986)和Bootstrap test (Mudelsee, 2003)对数据重新取样分析10⁶次得到HIMU样品的δ^138/134Ba和²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb之间的相关系数为r=0.91 ± 0.07(2SD)，我们认为这种强相关性和蚀变洋壳的俯冲有关(图8)。

图7. EM2可以通过地壳物质俯冲进入亏损地幔FOZO的二端元混合模型来解释。

图8. HIMU的强正相关性可以用蚀变洋壳俯冲来解释。

简而言之，通过对大洋玄武岩的Ba同位素研究发现，Ba同位素在示踪地幔不均质性的成因方面具有很大的潜力。

上述成果近期发表于Geochimica et Cosmochimica Acta上，论文第一和通讯作者为中国科学技术大学14级校友白瑞霞，合作者为中国科学技术大学黄方教授。本项目得到了美国自然科学基金和国家自然科学基金的支持。

论文信息:Bai, Ruixia, Matthew G. Jackson, Fang Huang, Frederic Moynier, Gabriel Devos, Sæmundur A. Halldórsson, Lorraine Lisiecki, Haoming Yin, Yihang Peng, and Xiaoyun Nan. "Barium isotopes in ocean island basalts as tracers of mantle processes." Geochimica et Cosmochimica Acta (2022).