IODP 349航次最新研究成果：镁同位素揭示南海次海盆尺度地幔不均一性组成和成因

　　日前，《Science Bulletin》以《Sub-basin scale inhomogeneity of mantle in the South China Sea revealed by magnesium isotopes》为题在线报导了国际大洋发现计划（IODP）349航次关于南海洋脊下地幔性质的研究成果。该研究由中科院海洋研究所张国良研究员研究组领衔完成，第一作者是钟源博士，合作者有中国科学技术大学黄方教授，中科院地质地球所谢烈文研究员等。该研究从Mg同位素视角指出南海东、西两个次海盆地幔之间存在的大尺度地幔组成不均一性，与前期报导的Sr-Nd-Pb-Hf等同位素组成相互耦合。南海地幔源区存在两个不同深度的来源，一是在浅部初期扩张裂解过程中拆沉进入南海地幔的、受俯冲改造过的陆弧岩石圈；二是深部来源的海南地幔柱物质混染。该项研究揭示了南海地幔的次海盆尺度不均一性的成因，对约束南海地区的构造演化也有重要意义。

　　南海是西太平洋地区最大的大陆边缘海，位于亚欧板块、印度板块、澳大利亚板块及太平洋板块的交汇处，厘清南海地幔组成有助于理解南海海盆作为各板块联结点形成与构造演化的机制。2014年，IODP 349航次首次分别在南海东部、西南次海盆分别获得了南海扩张期洋壳玄武岩（图1）。对钻孔玄武岩进行地球化学分析结果显示，南海东部和西南两个次海盆的地幔之间存在化学组成和岩性上的明显差异。

图1 南海地形简图及IODP 349航次钻探站位U1431和U1433位置

　　为了进一步厘清南海地区次海盆尺度地幔不均一性的成因，该研究团队对U1431、U1433站位的基底玄武岩样品进行了全岩Mg同位素组成分析。结果显示，西南次海盆和东部次海盆的洋壳玄武岩具有明显的Mg同位素组成差异。U1431站位玄武岩的Mg同位素组成和正常地幔相似（δ²⁶Mg = –0.27 ± 0.06‰，2SD，n = 10），而U1433站位玄武岩则更富集重Mg同位素（δ²⁶Mg = –0.20 ± 0.08‰，2SD，n = 8）（图2）。岩相学观察及主微量元素证据证实该Mg同位素组成差异并非由低温蚀变或高温岩浆过程引起，而反映了南海两个次海盆的洋脊下地幔的源区Mg同位素组成特征的不同。

图2  站位U1431和U1433基底玄武岩样品的全岩Mg同位素组成

　　通过分析两个站位玄武岩的Mg同位素组成与主微量元素及放射成因Sr–Nd–Pb–Hf同位素之间的耦合关系（图3），该研究提出：U1433站位玄武岩的源区是以大陆弧岩石圈底部橄榄岩为主，该组分由于长期受到高δ²⁶Mg俯冲流体的改造而具有较正常地幔更重的Mg同位素组成，并且在南海扩张早期通过大陆裂解拆沉进入南海地幔；U1431站位玄武岩的地幔源区在南海普遍存在的高δ²⁶Mg组分的基础上，还受到了附近海南热点低δ²⁶Mg富集物质的混染，从而在Mg–Sr–Nd–Pb–Hf同位素的相关图上显示出明显的混合趋势。该研究利用Mg同位素更精确地约束了南海地区洋脊下地幔的不均一性成因，进一步揭示了南海的两个次海盆之间具有不同的地幔演化历史，对于认识南海地幔组成和扩张成因的背景有重要科学意义。

图3  南海洋壳样品的Mg同位素与主微量元素比值及Sr–Nd–Pb–Hf同位素组成相关图