洋中脊玄武岩地幔源区中存在再循环洋壳的元素地球化学证据

来源：中科院地质地球所

洋中脊是绵延于大洋底的长达八万公里的火山山脉。地幔的热对流在洋中脊处上升，快速冷却为洋中脊玄武岩（MORBs），形成新的大洋地壳。作为板块运动的一部分，随着洋中脊的扩张，洋中脊形成的大洋地壳在接近俯冲板块边界的过程中逐渐变冷变重，最终俯冲进入地幔，形成一个大洋地壳的循环。俯冲的大洋地壳进入地幔之后的命运如何呢？这是一个重要的科学问题。一个经典的地幔模型把这种混入俯冲物质的地幔比喻成大理石蛋糕（Marble-cake） (Allègre and Turcotte, 1986)，俯冲的洋壳就像缓慢倒入蛋糕糊中的巧克力，而地幔就像是内部不均匀得分布着巧克力的蛋糕。这些“巧克力”的一部分可能会随着地幔对流上升，在洋中脊处重新熔融，进入到新生的大洋地壳中。长期以来，地质学家们都在尝试用各种手段示踪地幔里的“巧克力”，揭示地幔的不均一性。根据稀土元素的富集程度差异，洋中脊玄武岩被划分为了富集(enriched-MORB)，正常(normal-MORB)和亏损(depleted-MORB)三种类型。然而，洋中脊玄武岩化学组分上的变化所反映出来的地幔不均一性究竟是由地幔化学成分的不均一性导致的，还是由地幔岩性的不均一性导致的呢？这一问题还存在着较大的争论（e.g, Hirschmann and Stolper, 1996; Donnelly etal., 2004）。

近日，美国国家高磁实验室（National High Magnetic Field Laboratory）地球化学组的杨蜀颖博士及其合作者对全球近500件洋中脊玄武岩玻璃中的过渡金属元素（First Row Transition Elements），镓（Ga）和锗（Ge）以及其它共60个元素进行了高精度LA-ICP-MS分析，并结合地球化学模拟为地幔的“大理石蛋糕”模型提供了全新的地球化学证据。有关成果发表在最新一期的Science Advances上（Yang et al., 2020）。

精确的分析揭示，相较于亏损洋中脊玄武岩（D-MORB），富集洋中脊玄武岩（E-MORB）表现为低Ge/Si，高Fe/Mn和低Sc的特点（图1）。Ge，Fe，Mn和Sc在地幔熔融过程中表现为弱不相容-弱相容元素，其在岩浆演化过程的分异程度较小，从而可以作为示踪地幔源区岩性不均一性的地球化学指标。俯冲进入地幔的洋壳为辉石岩(pyroxenite)，其主要矿物构成是辉石（～80%）和石榴子石（～20%）；而大洋地幔为橄榄岩(peridotite)，其主要矿物构成是橄榄石（～55%），辉石（～40%）及其它副矿物（～5%）。实验岩石学的研究表明（Davis et al., 2013; Le Roux et al., 2015）Ge在橄榄岩中的相容性低于在辉石岩中的相容性，因此辉石岩熔体的Ge/Si比值较橄榄岩熔体低。Fe和Mn由于具有一致的分配系数在橄榄岩部分熔融的过程中不分异。而Mn和Sc在石榴子石中为相容元素，因此辉石岩熔体相较于橄榄岩熔体具有较低的Mn和Sc含量以及较高的Fe/Mn比值。部分熔融模拟计算显示(图2)，三种不同成分的辉石岩部分熔融所获熔体均表现为低Ge/Si，高Fe/Mn和低Sc含量的特点。如果把这些熔体和亏损洋中脊玄武岩(D-MORB)不同程度的混合，就可以得到正常洋中脊玄武岩(N-MORB)和富集洋中脊玄武岩 (E-MORB) (图3)。也就是说，如果亏损洋中脊玄武岩(D-MORB)被认为是纯地幔橄榄岩部分熔融的产物的话，那么正常(N-MORB)和富集洋中脊玄武岩(E-MORB)则是不同程度地混入了俯冲再循环洋壳的大洋地幔部分熔融的产物。此外，洋中脊玄武岩的亲石元素成分变化（如Nb/Ta和Zr/Hf等）也可以通过地幔的岩性不均一性来解释，这为“正常(N-MORB)和富集洋中脊玄武岩(E-MORB)起源于混有俯冲洋壳的大洋地幔”的这一结论提供了辅助证据。在此基础上，通过洋中脊玄武岩中Ge/Si和K2O/TiO2的相关性（图4）以及Ge/Si与辉石岩熔体相关性估算获得的俯冲洋壳在大洋地幔中所占比例为3%-5%。假设地质历史时期的俯冲速率不变的话，由此估算的板块构造起始时间应该在25-40亿年前，与Korenaga等人的推测结果一致(Korenaga et al., 2013)。

这项研究的重要意义在于发现并系统论述了洋中脊玄武岩的Ge/Si比值可作为区分地幔源区岩性的可靠指标，并以此可以有效估算大洋地幔中俯冲洋壳的比例，从而对板块俯冲的起始时间提供必要的限定。

图1 洋中脊玄武岩的Ge/Si和Fe/Mn比值以及 Sc含量与地幔富集程度（La/Sm）的关系图及相应的频率分布(Yang et al., 2020）

图2 部分熔融模型及混合模型显示在平均亏损洋中脊玄武岩（D-MORB）组分中混入具有低Ge/Si比值和Sc含量以及高Fe/Mn比值的辉石岩熔体，可以得到正常（N-MORB）及富集洋中脊玄武岩（E-MORB）(Yang et al., 2020）

图3 部分熔融模型及混合模型显示在平均亏损洋中脊玄武岩（D-MORB）组分中混入具有高Nb/Ta比值的辉石岩熔体可以得到正常（N-MORB）及富集洋中脊玄武岩（E-MORB）(Yang et al., 2020）

图4 俯冲再循环洋壳在洋中脊地幔中所占比例的估算。不同的颜色代表不同成分的俯冲洋壳（桔黄色.G2；绿色.Px-1）(Yang et al., 2020）