软流圈地幔通常是指位于岩石圈之下、地幔过渡带之上的地震波低速带。软流圈地幔是大部分岩浆作用的发源地，也是大宗矿产资源的重要源区。前人基于大洋玄武岩的地球化学研究，识别出几类不同化学成分的地幔储库，包括亏损的MORB型地幔 (DMM)、I型富集地幔 (EM-I)、II型富集地幔 (EM-II)、高U-Pb值地幔 (HIMU)等 (Hofmann, 1997; Zindler and Hart, 1986)。各种富集型地幔端元可能是由俯冲作用带入地幔内部的沉积物、地壳物质以及富集岩石圈地幔组分形成(Gao et al., 2008; Jackson et al., 2007; Sobolev et al., 2005)。此外，部分学者针对深海橄榄岩 (软流圈地幔在洋中脊发生熔体抽取后的固态残余体) 的研究发现记录了非常古老的熔融年龄的难熔组分 (Re亏损模式年龄TRD > 2.0 Ga; Liu et al., 2008, 2022; Xu et al., 2020)。这些古老端元可能代表了地球早期通过俯冲作用再循环到软流圈地幔中的大洋岩石圈地幔 (Liu et al., 2008)，也可能代表在超大陆裂解过程中，通过构造拆沉作用进入软流圈地幔的大陆岩石圈地幔 (O’Reilly et al., 2009; Liu et al., 2022)。然而，除了这些再循环的富集/难熔端元，作为软流圈地幔主体的DMM是否具有均一的地球化学组成一直存在争议。
蛇绿岩被广泛认为代表古大洋岩石圈残片，在古缝合带位置构造侵位于大陆之上，记录了大洋岩石圈地幔的形成与演化和软流圈地幔不均一性等重要信息。针对上述科学问题，中国地质大学（北京）科学研究院王于健副教授和刘金高教授与合作者James Mungall选择了加拿大纽芬兰西部的Bay of Islands蛇绿岩地幔橄榄岩为研究对象，通过系统的岩石学、矿物学-全岩地球化学和Re-Os同位素等技术手段，结合alphaMELTS热动力学模拟精细刻画了Bay of Islands蛇绿岩二辉橄榄岩和方辉橄榄岩的形成过程及构造背景，并利用Os模式年龄限定其形成年代，为探讨软流圈地幔不均一性提供了新解译：
（1）二辉橄榄岩 (lherzolite) 具有洋中脊地幔橄榄岩 (MOR) 构造背景 (图1a)，是由DMM经历5-15%连续减压熔融形成的地幔残余体 (图1b)；而方辉橄榄岩 (TM10, Type II harzburgite)则具有俯冲带地幔橄榄岩 (SSZ) 构造背景 (图1a)，经历两次熔融事件，一次低程度减压熔融 (5-10%)，而后残余体又经历由大洋沉积物脱水流体导致的含水熔融 (图1b)；
（2）Bay of Islands蛇绿岩的构造侵位时间为485 Ma，扣除构造侵位后的187Os的放射性累积，发现二辉橄榄岩和方辉橄榄岩的187Os/188Os 485 Ma基本一致，并不存在与Al2O3的相关性，暗示两种地幔橄榄岩并不是由单一的地幔端元经历同一次熔融事件不同程度熔体抽离形成的；更有可能是方辉橄榄岩在485 Ma由二辉橄榄岩在俯冲带位置经历含水熔融形成的难熔残余体 (图2-recent melt depletion; Lassiter et al., 2014)。由于第二次熔融发生在近期，Os同位素组成不变，因而二辉橄榄岩和方辉橄榄岩具有明显不同的亏损程度，但187Os/188Os 485 Ma基本相同。
（3）Bay of Islands蛇绿岩被广泛认为代表Iapetus古大洋 (550 – 750 Ma: Robert et al., 2021) 的岩石圈残片。因此，Bay of Islands地幔橄榄岩如果是由均一的DMM经历部分熔融形成的残余体，那么这些橄榄岩应该记录了Iapetus古大洋形成时间内的熔融事件。然而Bay of Islands蛇绿岩地幔橄榄岩明显具有更低的187Os/188Os 485 Ma-组成，因而更为古老的Os模式年龄 (TRD ~ 890 – 1060 Ma; 1370 – 1460 Ma)。由于二辉橄榄岩和方辉橄榄岩的Os同位素组成基本一致，暗示不仅难熔的地幔组分能够保留古老的熔融信号，软流圈地幔中饱满组分也可能经历过早期熔融事件，而且在漫长的地幔演化过程中不被均一化。因此，我们提出软流圈地幔并不是一个均一的组分，而是由一系列经历不同时间、不同程度熔融亏损的地幔端元组成的混合体构成。
图1. a-尖晶石TiO2 vs 尖晶石Al2O3相关性图解；参考区域包括MORB-洋中脊玄武岩；OIB-洋岛玄武岩；LIP-大火成岩省；ARC-岛弧玄武岩；MOR PERD-洋中脊地幔橄榄岩；SSZ PERD-俯冲带地幔橄榄岩。b-全岩球粒陨石标准化Er/Yb比值vs全岩Al2O3相关性图解；虚线代表不同潜在温度下DMM发生连续减压熔融趋势线；实线代表不同亏损程度的地幔残余体发生二次含水熔融趋势线。
图2. 右侧为全岩187Os/188Os 485 Ma vs全岩Al2O3相关性图解；左侧分别为二辉橄榄岩和方辉橄榄岩对应的Re亏损模式年龄(TRD)。注：二辉橄榄岩含有较高的187Re/188Os比值，因此TRD代表真实熔融年龄的最低估值仅供参考。
以上研究成果发表在地质学国际权威期刊《Journal of Geophysical Research-Solid Earth》上：Wang, Y., Mungall, J. E., & Liu, J. (2023). Osmium isotope heterogeneity of the upper mantle: Evidence from the Bay of Islands ophiolite complex, Newfoundland. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB026789.
全文链接：https://doi.org/10.1029/2023JB026789
来源：中国地质大学（北京）
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