蘇本勛等-AJS：大洋巖石圈地幔廣泛的水化作用：來(lái)自反轉(zhuǎn)的礦物間Fe-Zn同位素分餾的制約

大洋巖石圈地幔是地球內(nèi)部與表層系統(tǒng)之間物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵紐帶，其形成演化與部分熔融、熔體交代和水化作用等密切相伴。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，水化主要發(fā)生在洋中脊熱液蝕變或后期蛇紋石化過(guò)程中，屬于淺部、局部現(xiàn)象。然而，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘇本勛研究員及合作者，在西藏普蘭蛇綠巖（圖1）的巖石學(xué)基礎(chǔ)上對(duì)其橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和尖晶石等共存礦物的Fe-Zn同位素分析發(fā)現(xiàn)，蛇綠巖地幔橄欖巖普遍呈現(xiàn)出與大陸地幔捕虜體截然相反的同位素分餾序列：硅酸鹽礦物（橄欖石、輝石）的δ56Fe和δ66Zn值普遍高于共存的尖晶石，而理論平衡分餾和大陸地幔捕虜體的觀測(cè)結(jié)果則顯示尖晶石富集重Fe和重Zn同位素（圖2）。這一“反轉(zhuǎn)”的礦物間同位素分餾現(xiàn)象同樣見(jiàn)于全球蛇綠巖、深海橄欖巖和造山帶橄欖巖中，表明它可能是大洋巖石圈地幔的一個(gè)普遍特征。

圖1 普蘭蛇綠巖構(gòu)造位置及地質(zhì)簡(jiǎn)圖

圖2 普蘭蛇綠巖中橄欖巖及其他類(lèi)型橄欖巖中礦物的Fe-Zn同位素組成對(duì)比

研究進(jìn)一步揭示，部分熔融和熔體交代作用僅能解釋樣品之間的部分同位素差異，而無(wú)法解釋礦物之間的系統(tǒng)性同位素反轉(zhuǎn)。相反，以含水流體為媒介所引起的元素交換才是核心機(jī)制：水顯著提高了擴(kuò)散速率，使Fe和Zn從硅酸鹽向尖晶石遷移，同時(shí)Mg向硅酸鹽遷移，導(dǎo)致硅酸鹽相對(duì)富集重Fe和重Zn同位素（圖3）。這一過(guò)程不受礦物顆粒邊界的限制，能夠在厘米至米尺度上實(shí)現(xiàn)大范圍元素遷移，并且全球蛇綠巖橄欖石的水含量與Fo值呈正相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了水化驅(qū)動(dòng)的成分改造（圖4）。

圖3 普蘭及全球其他蛇綠巖中礦物Fe-Zn同位素變化及其受控因素

這項(xiàng)研究從礦物間Fe-Zn同位素反轉(zhuǎn)分餾的獨(dú)特視角，揭示了大洋巖石圈地幔的普遍水化并非局部的淺表過(guò)程，而是深刻重塑了地幔地球化學(xué)特征、流變性質(zhì)和揮發(fā)分循環(huán)的深部作用。該發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)地幔演化模型中“干”地幔的假設(shè)，也為重新理解大洋巖石圈的形成、俯沖帶動(dòng)力學(xué)以及全球構(gòu)造與地球化學(xué)演化提供了關(guān)鍵約束。

圖4 地幔水化作用過(guò)程流體為媒介所引發(fā)的礦物間元素交換示意圖

研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊AJS（蘇本勛, 肖燕, 王靜, 潘旗旗, 趙壽騫. Reversed inter-mineral Fe-Zn isotope fractionation in ophiolitic peridotites: Evidence for widespread hydration of oceanic lithospheric mantle[J]. American Journal of Science, 2026, 326: Article 7. DOI:10.2475/001c.160209.）。