运用洋岛玄武岩的铁同位素组成成功揭示出地幔柱的岩性结构

          大洋板块俯冲可将洋壳和沉积物运输至深部地幔，从而造就洋岛玄武岩的地幔源区（地幔柱）的化学和岩性不均一。其中化学不均一常用几个放射成因同位素组成差异明显的地幔组分来描述：DM（亏损地幔）、HIMU（高U/Pb比地幔）、EM1（Ⅰ型富集地幔）、EM2（Ⅱ型富集地幔）和FOZO。越来越多的研究表明两个或多个上述地幔组分常常存在于同一地幔柱中，例如Hawaii、Iceland、Canary、Samoa和 Galápagos等地幔柱。揭示此类地幔柱的岩性结构对于地幔不均一性的地球物理观测以及估计地幔柱的密度、潜能温度和岩浆通量等具有重要意义，然而目前制约地幔柱中不同地幔组分是否具有不均一的岩性特征仍然具有挑战性。

        南太平洋萨摩亚群岛/海山的造盾期熔岩由萨摩亚地幔柱产生，这些熔岩形成了三个平行的火山岛链（图1a）：Upo火山链（Upo trend）、Malu火山链（Malu trend）和Vai火山链（Vai trend）。前人研究发现来自不同火山链的玄武岩样品表现出不同的化学和同位素组成（如图1b）：来自Upo、Malu和Vai火山链的样品分别具有指向DM、EM2和HIMU地幔组分的同位素属性。这些观察表明萨摩亚地幔柱具有不均一的化学和同位素结构，并且包含三种不同的低³He/⁴He型地幔组分：即EM2、HIMU和DM组分。然而目前这三种地幔组分的岩性特征尚不清楚。Fe同位素（δ⁵⁷Fe）是识别玄武岩地幔源区岩性（橄榄岩/辉石岩）的新兴手段，且有望成为联系化学不均一和岩性不均一的“纽带”。为制约萨摩亚地幔柱的岩性结构及其与化学不均一性的联系，“幔游”课题组联合日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）羽生毅博士等学者在整理前人研究数据的基础上，对来自南太平洋萨摩亚(Samoa)群岛Tutuila岛（位于萨摩亚群岛中心，图1a）的玄武岩开展了详细的主量元素、微量元素和Fe-Sr-Nd-Pb同位素研究。

图1：(a) Samoa群岛和海山分布图；(b)Samoa玄武岩样品的Pb同位素组成特征

        新的Fe同位素数据显示：来自Vai火山链(δ⁵⁷Fe =0.14±0.07‰)和Upo火山链(δ⁵⁷Fe =0.11±0.03‰)的玄武岩具有与正常大洋中脊玄武岩(N-MORB，δ⁵⁷Fe = 0.15±0.05‰)相似的Fe同位素组成；而来自Malu火山链的玄武岩具有比来自Vai和Upo火山链的玄武岩整体偏重的Fe同位素组成 (δ⁵⁷Fe = 0.15 ~ 0.24‰)。定量计算表明，萨摩亚洋岛玄武岩不均一的Fe同位素组成不能用简单的分离结晶过程和单一的石榴子石橄榄岩或辉石岩部分熔融来解释。在排除分离结晶作用对铁同位素的影响之后，所有萨摩亚造盾期玄武岩样品的铁同位素组成与指示源区特征的微量元素比值（如Nb/Th比）和放射成因同位素组成存在明显相关性（图2）。其中来自Malu火山链的玄武岩样品表现出高的δ⁵⁷Fe和(Gd/Yb)_N，低的Nb/Th以及EM2型Sr-Nd同位素特征，由再循环洋壳和陆源沉积物的混合物转变而成的辉石岩组分部分熔融可以很好地解释这些地球化学组成特征。Vai和Upo火山链玄武岩类似MORB的Fe同位素特征则可以用橄榄岩部分熔融来解释。这些解释也得到了萨摩亚玄武岩的主量元素特征和橄榄石斑晶的微量元素特征的支持。

图2：Samoa洋岛玄武岩的Sr–Nd–Fe同位素组成变化

          上述认识揭示了萨摩亚地幔柱不均一的岩性结构：地幔柱中的EM2组分最可能为辉石岩，而HIMU组分和DM组分最可能为橄榄岩。定量计算表明橄榄岩来源熔体与具EM2型同位素特征的辉石岩来源熔体的混合，可以很好地重现由萨摩亚造盾期样品组成的同位素变化趋势（图2），进一步支持萨摩亚地幔柱不均一的岩性结构。该研究结果进一步验证了Fe同位素（δ⁵⁷Fe）在识别玄武岩地幔源区岩性方面的能力，并为识别地幔柱的岩性结构及其与地幔化学不均一性之间的联系提供了新的研究视角。

研究成果“Linking Chemical Heterogeneity to Lithological Heterogeneity of the Samoan Mantle Plume with Fe-Sr-Nd-Pb Isotopes”近期发表于综合性地学知名期刊Journal of Geophysical Research–Solid Earth上。王小均博士为论文第一作者，陈立辉教授和羽生毅博士为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金项目（42130310、41973001）的资助。

论文链接如下：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021JB022887