20世紀(jì)80年代，地幔地球化學(xué)領(lǐng)域先驅(qū)Alan Zindler和Stan Hart基于大洋玄武巖的放射同位素組成定義了DMM（虧損地幔）、HIMU（高238U/204Pb地幔）、EM1（1型富集地幔）和EM2（2型富集地幔）四種地幔端元組分。在這四種地幔組分中，EM1的來源爭議最大。典型的EM1特征包括極低的206Pb/204Pb、143Nd/144Nd、176Hf/177Hf和中等的87Sr/86Sr。潛在的EM1的來源包括：（1）再循環(huán)古老大陸巖石圈地幔、（2）再循環(huán)古老大陸下地殼、（3）再循環(huán)洋殼+古老沉積物。造成長期爭論的根本原因在于，上述三者經(jīng)過長時(shí)間（>7億年）的演化都可以表現(xiàn)出EM1的特征。中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所地幔地球化學(xué)學(xué)科組馬亮副研究員、徐義剛院士，與李杰研究員，西北大學(xué)陳立輝教授、河海大學(xué)劉建強(qiáng)博士合作，利用Mo穩(wěn)定同位素體系，限定了大陸EM1組分起源于再循環(huán)洋殼+古老沉積物。
Mo穩(wěn)定同位素體系可有效識別大陸地殼、大陸巖石圈地幔、再循環(huán)洋殼和遠(yuǎn)洋沉積物。球粒隕石具有均一的Mo同位素組成（δ98/95Mo=-0.15‰；δ98/95Mo是相對于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NIST SRM 3134的98Mo/95Mo比值）；地幔的Mo同位素組成（-0.20‰）略輕于球粒隕石；全球地幔橄欖巖包體的δ98/95Mo（-0.21±0.18; 2sd, n=15）與地幔值接近；大陸地殼具有重Mo同位素特征（0.00‰至0.35‰）；而再循環(huán)洋殼（-0.68‰至-0.13‰）和遠(yuǎn)洋沉積物（-1.87‰至0.11‰）具有輕Mo同位素特征。大陸、大洋與地幔之間顯著的Mo同位素組成差異為示蹤EM1組分的來源提供了絕佳的條件。
圖1 諾敏河玄武巖的放射性同位素組成特征。
研究人員對典型的大陸EM1型玄武巖—中國東北地區(qū)新生代諾敏河鉀質(zhì)玄武巖（260Pb/204Pb<17.5）開展了詳細(xì)的Mo同位素研究（圖1）。分析結(jié)果顯示，諾敏河玄武巖具有輕于球粒隕石的Mo同位素組成特征，其δ98/95Mo從-0.49變化到-0.15‰，Mo/Ce從0.009變化到0.037。δ98/95Mo與Mo/Ce、Lu/Hf、176Hf/177Hf呈正相關(guān)，與La/Yb、Zr/Yb、Hf/Yb以及一些不相容元素（La、Nb、Ta、Pb、Zr、Hf）呈負(fù)相關(guān)。
諾敏河玄武巖的Mo同位素未受到熱液蝕變、地殼混染、富Mo礦物分離結(jié)晶和熔融殘留等過程的影響。δ98/95Mo、Mo/Ce與放射性同位素關(guān)系表明，EM1端元具有非常輕的Mo同位素組成和極低的Mo/Ce（圖2）。由于大陸地殼和巖石圈地幔均無法為其貢獻(xiàn)輕的Mo，EM1組分最有可能來源于輕Mo同位素、低Mo/Ce的再循環(huán)洋殼+古老遠(yuǎn)洋沉積物。
圖2 諾敏河玄武巖的Mo/Ce、Mo同位素與Hf同位素關(guān)系圖。
Mo同位素與放射性同位素、微量元素之間的協(xié)變關(guān)系可以用橄欖巖+榴輝巖（含沉積物）的不一致熔融過程來解釋。低程度部分熔融時(shí)主要記錄了富集的、易熔的榴輝巖（含沉積物）熔體的信息，即低的δ98/95Mo、Mo/Ce、Lu/Hf，高的La/Yb、Zr/Yb、Hf/Yb和不相容元素含量，以及EM1型的放射性同位素特征；高程度部分熔融時(shí)則記錄了虧損的、難熔的地幔橄欖巖的地球化學(xué)信息（圖3）。
該研究不僅支持地幔中EM1組分起源于再循環(huán)洋殼+古老沉積物的觀點(diǎn)，還證明了殘留板片中輕的Mo可以保存在地幔深部（至少在地幔轉(zhuǎn)換帶深度410-660km），并通過火山作用循環(huán)至地表。再循環(huán)洋殼物質(zhì)在深部地幔形成輕Mo的儲庫，該儲庫可補(bǔ)償重Mo同位素特征的大陸地殼。Mo同位素有望成為深部地幔中再循環(huán)洋殼物質(zhì)強(qiáng)有力的示蹤劑。
圖3 諾敏河玄武巖的Mo同位素與部分熔融程度關(guān)系圖。
研究成果發(fā)表于國際地球化學(xué)權(quán)威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。該研究受到中國科學(xué)院先導(dǎo)B專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金和南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）的聯(lián)合資助。
論文信息：Ma Liang*, Xu Yi-Gang, Li Jie, Chen Li-Hui, Liu Jian-Qiang, Li Hong-Yan, Huang Xiao-Long. Ma Qiang, Hong Lu-Bing, Wang Yu. 2022. Molybdenum isotopic constraints on the origin of EM1-type continental intraplate basalts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 317, 255-268.
