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图 锌同位素示踪地幔HIMU组分的形成及其与地表物质循环过程的联系
在国家自然科学基金项目（批准号：42130310、41973001）等资助下，西北大学陈立辉团队与南京大学、日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)、德国马普化学所和东京大学的研究人员合作，运用洋岛玄武岩的Zn同位素组成示踪下地幔深部的再循环碳酸盐组分取得进展。研究成果以“深部地幔中存在再循环碳酸盐的锌同位素证据（Zinc isotopic evidence for recycled carbonate in the deep mantle）”为题，于2022年10月14日发表在《自然·通讯》(Nature Communications)上。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-022-33789-6。
地表的碳酸盐能否通过板块俯冲进入下地幔是一个长期争议的话题。起源于下地幔的地幔柱上升到上地幔浅部后会发生熔融，产生的岩浆喷出地表形成洋岛玄武岩(Ocean Island Basalt, OIB)，因此OIB是了解下地幔物质组成的主要途径。由于地表碳酸盐相对于正常地幔具有明显偏重的锌同位素组成，因而OIB的锌同位素组成可以用于示踪下地幔中是否存在再循环的地表碳酸盐组分。基于此，该团队选择来自南太平洋Cook-Austral群岛和南大西洋St.Helena火山岛的经典HIMU型OIB样品（206Pb/204Pb>20.5）作为研究对象，开展了高精度锌同位素分析。研究发现这些HIMU型OIB的锌同位素组成（δ66Zn =0.38±0.03‰）明显偏重于正常地幔（δ66Zn =0.16±0.06‰）和绝大多数其它大洋玄武岩（δ66Zn =0.31±0.10‰）。
模拟计算表明HIMU型OIB明显偏重的锌同位素组成特征无法由部分熔融和岩浆分异过程产生。锌同位素（δ66Zn）与锇同位素(187Os/188Os)之间存在的相关性表明偏重的锌同位素组成是HIMU组分地幔源区的固有特征，且与再循环物质有关。结合这些玄武岩的其它地球化学证据，表明其源区为碳酸盐化的橄榄岩。当地表碳酸盐沉积物俯冲至地幔过渡带时会发生熔融，产生的碳酸盐熔体会交代周围的地幔橄榄岩，从而产生碳酸盐化橄榄岩；碳酸盐化橄榄岩随俯冲板片一起进入下地幔，并在核-幔边界长期存留，其Sr-Nd-Pb同位素组成演化为HIMU特征；这种碳酸盐化橄榄岩最终由上升的地幔柱携带至上地幔浅部发生熔融，产生的岩浆喷出地表形成了HIMU型OIB。
该研究不仅厘清了HIMU型玄武岩和地幔HIMU端元的成因，还为地表碳酸盐参与地球内部过程提供了可信的证据。