Science Advances：洋中脊玄武巖地幔源區中存在再循環洋殼的元素地球化學證據
洋中脊是綿延於大洋底的長達八萬公裡的火山山脈。地幔的熱對流在洋中脊處上升，快速冷卻為洋中脊玄武巖（MORBs），形成新的大洋地殼。作為板塊運動的一部分，隨著洋中脊的擴張，洋中脊形成的大洋地殼在接近俯衝板塊邊界的過程中逐漸變冷變重，最終俯衝進入地幔，形成一個大洋地殼的循環。俯衝的大洋地殼進入地幔之後的命運如何呢？這是一個重要的科學問題。一個經典的地幔模型把這種混入俯衝物質的地幔比喻成大理石蛋糕（Marble-cake） (Allègre and Turcotte, 1986)，俯衝的洋殼就像緩慢倒入蛋糕糊中的巧克力，而地幔就像是內部不均勻得分布著巧克力的蛋糕。這些「巧克力」的一部分可能會隨著地幔對流上升，在洋中脊處重新熔融，進入到新生的大洋地殼中。長期以來，地質學家們都在嘗試用各種手段示蹤地幔裡的「巧克力」，揭示地幔的不均一性。根據稀土元素的富集程度差異，洋中脊玄武巖被劃分為了富集(enriched-MORB)，正常(normal-MORB)和虧損(depleted-MORB)三種類型。然而，洋中脊玄武巖化學組分上的變化所反映出來的地幔不均一性究竟是由地幔化學成分的不均一性導致的，還是由地幔巖性的不均一性導致的呢？這一問題還存在著較大的爭論（e.g, Hirschmann and Stolper, 1996; Donnelly etal., 2004）。
近日，美國國家高磁實驗室（National High Magnetic Field Laboratory）地球化學組的楊蜀穎博士及其合作者對全球近500件洋中脊玄武巖玻璃中的過渡金屬元素（First Row Transition Elements），鎵（Ga）和鍺（Ge）以及其它共60個元素進行了高精度LA-ICP-MS分析，並結合地球化學模擬為地幔的「大理石蛋糕」模型提供了全新的地球化學證據。有關成果發表在最新一期的Science Advances上（Yang et al., 2020）。
精確的分析揭示，相較於虧損洋中脊玄武巖（D-MORB），富集洋中脊玄武巖（E-MORB）表現為低Ge/Si，高Fe/Mn和低Sc的特點（圖1）。Ge，Fe，Mn和Sc在地幔熔融過程中表現為弱不相容-弱相容元素，其在巖漿演化過程的分異程度較小，從而可以作為示蹤地幔源區巖性不均一性的地球化學指標。俯衝進入地幔的洋殼為輝石巖(pyroxenite)，其主要礦物構成是輝石（～80%）和石榴子石（～20%）；而大洋地幔為橄欖巖(peridotite)，其主要礦物構成是橄欖石（～55%），輝石（～40%）及其它副礦物（～5%）。實驗巖石學的研究表明（Davis et al., 2013; Le Roux et al., 2015）Ge在橄欖巖中的相容性低於在輝石巖中的相容性，因此輝石巖熔體的Ge/Si比值較橄欖巖熔體低。Fe和Mn由於具有一致的分配係數在橄欖巖部分熔融的過程中不分異。而Mn和Sc在石榴子石中為相容元素，因此輝石巖熔體相較於橄欖巖熔體具有較低的Mn和Sc含量以及較高的Fe/Mn比值。部分熔融模擬計算顯示(圖2)，三種不同成分的輝石巖部分熔融所獲熔體均表現為低Ge/Si，高Fe/Mn和低Sc含量的特點。如果把這些熔體和虧損洋中脊玄武巖(D-MORB)不同程度的混合，就可以得到正常洋中脊玄武巖(N-MORB)和富集洋中脊玄武巖 (E-MORB) (圖3)。也就是說，如果虧損洋中脊玄武巖(D-MORB)被認為是純地幔橄欖巖部分熔融的產物的話，那么正常(N-MORB)和富集洋中脊玄武巖(E-MORB)則是不同程度地混入了俯衝再循環洋殼的大洋地幔部分熔融的產物。此外，洋中脊玄武巖的親石元素成分變化（如Nb/Ta和Zr/Hf等）也可以通過地幔的巖性不均一性來解釋，這為「正常(N-MORB)和富集洋中脊玄武巖(E-MORB)起源於混有俯衝洋殼的大洋地幔」的這一結論提供了輔助證據。在此基礎上，通過洋中脊玄武巖中Ge/Si和K2O/TiO2的相關性（圖4）以及Ge/Si與輝石巖熔體相關性估算獲得的俯衝洋殼在大洋地幔中所佔比例為3%-5%。假設地質歷史時期的俯衝速率不變的話，由此估算的板塊構造起始時間應該在25-40億年前，與Korenaga等人的推測結果一致(Korenaga et al., 2013)。
這項研究的重要意義在於發現並系統論述了洋中脊玄武巖的Ge/Si比值可作為區分地幔源區巖性的可靠指標，並以此可以有效估算大洋地幔中俯衝洋殼的比例，從而對板塊俯衝的起始時間提供必要的限定。
圖1 洋中脊玄武巖的Ge/Si和Fe/Mn比值以及 Sc含量與地幔富集程度（La/Sm）的關係圖及相應的頻率分布(Yang et al., 2020）
圖2 部分熔融模型及混合模型顯示在平均虧損洋中脊玄武巖（D-MORB）組分中混入具有低Ge/Si比值和Sc含量以及高Fe/Mn比值的輝石巖熔體，可以得到正常（N-MORB）及富集洋中脊玄武巖（E-MORB）(Yang et al., 2020）
圖3 部分熔融模型及混合模型顯示在平均虧損洋中脊玄武巖（D-MORB）組分中混入具有高Nb/Ta比值的輝石巖熔體可以得到正常（N-MORB）及富集洋中脊玄武巖（E-MORB）(Yang et al., 2020）
圖4 俯衝再循環洋殼在洋中脊地幔中所佔比例的估算。不同的顏色代表不同成分的俯衝洋殼（桔黃色.G2；綠色.Px-1）(Yang et al., 2020）
主要參考文獻
Allègre C J, Turcotte D L. Implications of a two-component marble-cakemantle[J]. Nature, 1986, 323(6084): 123-127.
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Yang S, Humayun M, Salters V J M. Elemental constraints on theamount of recycled crust in the generation of mid-oceanic ridge basalts(MORBs)[J]. Science Advances, 2020, 6(26): eaba2923.
（撰稿：楊蜀穎/美國國家高磁實驗室，王浩/巖石圈室）
校對：張崧