在地球的形成與演化過程中，地幔的化學(xué)組成隨著相應(yīng)的地質(zhì)事件和地質(zhì)過程發(fā)生改變。這意味著地幔及其派生熔體的地球化學(xué)成分記錄了大量的地球演化信息，是地質(zhì)學(xué)家了解地球的形成與演化的重要手段。其中，地幔交代作用對地幔的礦物組成以及地球化學(xué)成分的改造均有重大影響。因此，限定地球化學(xué)指標(biāo)在地幔交代過程中的行為及交代地幔的地球化學(xué)組成，是利用該指標(biāo)的基本前提條件。
高場強(qiáng)元素是一類難融、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且不易受低溫蝕變和風(fēng)化過程改造的元素（如Nb，Ta，Zr，Hf，Ti）。這些特性使得行為相似的高場強(qiáng)元素比值（Zr/Hf和Nb/Ta比值）及其同位素（如Hf-Ti同位素）被廣泛應(yīng)用于示蹤高溫巖漿過程。近年來，得益于分析方法的改善，Zr同位素也開始被應(yīng)用于研究地球高溫巖漿過程。然而，目前對Zr同位素的研究主要集中于殼內(nèi)巖漿演化過程，地幔交代過程中Zr同位素如何變化，以及交代地幔的Zr同位素組成仍然不清楚。
來自地幔的熔體能夠獲取不同時(shí)空背景的地幔源區(qū)信息，是了解深部地幔物質(zhì)組成和過程的主要窗口。由于Zr是強(qiáng)不相容元素（K d<1），因此交代地幔部分熔融產(chǎn)生的玄武巖能夠高效抽取源區(qū)的Zr儲庫。為此，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地幔地球化學(xué)學(xué)科組鄒宗琪博士、徐義剛院士聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）汪在聰教授對來自受不同介質(zhì)（碳酸鹽熔體、硅酸鹽熔體和流體/含水熔體）交代的地幔源區(qū)的玄武巖進(jìn)行Zr同位素分析。主要取得以下認(rèn)識：
?。?） 俯沖地殼物質(zhì)的輸入對地幔Zr同位素組成的影響有限。
?。?） 雖然來自不同構(gòu)造背景的循環(huán)交代介質(zhì)具有顯著不同的物質(zhì)組成（如Zr/Hf比值），但是受這些不同介質(zhì)交代的地幔源區(qū)熔融產(chǎn)生的玄武巖具有一致的Zr同位素組成。這說明交代過程及后續(xù)的熔融過程對熔體的Zr同位素組成的影響有限。這些熔體的Zr同位素代表地幔熔融源區(qū)的平均Zr同位素組成。
（3） 來自不同交代地幔的玄武巖和其他地幔儲庫的Zr同位素組成在分析誤差范圍內(nèi)一致。這說明在長期的演化過程中，雖然地幔受到了復(fù)雜的殼幔相互作用的影響，但是地幔的Zr同位素組成保持不變。
?。?） 基于已經(jīng)報(bào)道的幔源巖漿的Zr同位素?cái)?shù)據(jù)，我們估算交代地幔的Zr同位素組成為 94Zr NIST = 0.013 0.053‰(2 SD, n = 96)。該值也代表硅酸鹽地球和地球的Zr同位素組成。
該研究已發(fā)表在國際地球科學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，本研究受自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目(42288201)、南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)以及國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目等基金的聯(lián)合資助。
論文信息：Zou, Zongqi* (鄒宗琪), Xu, Yi-Gang* (徐義剛), Wang, Zaicong (汪在聰), Hu, Chuyu (胡楚玉), Feng, Lanping (馮蘭平), Guo, Jing‐Liang (郭京梁), Zhang, Wen (張文), Ma, Liang (馬亮), Hu, Zhaochu (胡兆初), Liu, Yongsheng (劉勇勝) (2024). Stable zirconium isotopic compositions of the metasomatized mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2023JB028137. https://doi.org/10.1029/2023JB028137
圖1，研究樣品為來自中國東部的中生代玄武巖和中國東部新生代堿性和拉斑玄武巖。中生代玄武巖來自受富含流體的大陸地殼物質(zhì)交代的地幔源區(qū)。而新生代拉斑玄武巖和堿性玄武巖則分別來自受硅酸鹽熔體交代形成的輝石巖源區(qū)和碳酸鹽化榴輝巖源區(qū)。
圖2，交代過程和部分熔融過程可以造成玄武巖樣品的高場強(qiáng)元素之間發(fā)生顯著分異。如具有類似離子半徑、相同價(jià)態(tài)以及不相容性的元素對Nb/Ta和Zr/Hf。然而，不同玄武巖樣品的Zr同位素組成極其均一，且與高程度部分熔融成因的科馬提巖的Zr同位素組成一致。
圖3，Ba/Th和Nd同位素的巨大變化表了玄武巖源區(qū)的地球化學(xué)組分受到了不同程度的地殼循環(huán)物質(zhì)的改造。Zr/Hf和La/Sm比值的變化也進(jìn)一步表了源區(qū)巖性和部分熔融過程多熔體地球化學(xué)組分的影響。雖然大陸上地殼具有相對偏重的Zr同位素組成，且熔融過程可以造成地球化學(xué)性質(zhì)的Zr-Hf分異，但是這兩種機(jī)制均未對熔體的Zr同位素組成造成顯著變化。
圖4，地幔的不同儲庫均具有一致的Zr同位素組成。
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