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中国地质大学（北京）

来源：花匠小妙招时间：2025-06-16 09:42

过去五十年，地质学家对大洋玄武岩（即洋岛与洋中脊玄武岩，OIB&MORB）地球化学组成的研究取得了非常显著的成就，这些数据成为我们了解地幔演化的基础。根据大洋玄武岩的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成，科学家定义了四种地幔端元（EM1, EM2, DMM和HIUM）。这四种端元通常被认为是长期地幔熔融和壳幔物质循环的产物，并不能代表原始地幔（或者说早期地幔）的成分。早期研究试图通过这四种地幔端元的混合来解释大洋玄武岩同位素组成的变化，但是很快发现大洋玄武岩的Sr-Nd-Pb同位素组成似乎是这四个端元与一个共同端元混合的结果（图1）。这一端元被称之为FOZO（Focus Zone），PREMA（Prevalent Mantle）又或者是C（Common Component），我们在下文中统称为PREMA（流行地幔）。由于PREMA几乎在所有洋岛与洋中脊玄武岩中都普遍存在，因此有人猜测PREMA可能代表了原始地幔。但也有人认为PREMA是通过不同地幔物质混合形成的，并不是一个独立的地幔组分。总而言之，PREMA代表了地幔中广泛存在的一种组分，引入这一组分能够帮助我们更好地解释大洋玄武岩同位素组成的变化。

由于潜在的地壳混染和更加复杂的地球动力学背景，陆内喷发的地幔熔体在地幔地球化学研究中受重视程度相对不够。然而，陆内地幔熔体可以提供更古老和连续的地幔记录，并且存在很多大洋中并不存在的岩浆类型（比如金伯利岩），为探究地幔的组成及演化提供了不同的视角。2021年，Giuliani等人首次探讨了克拉通内金伯利岩与PREMA的关系，但缺乏深入的探索。在此工作基础之上，我校科学研究院博士生蔡荣华与刘金高教授及其合作者通过引入全球新生代板内玄武质熔体的数据，对PREMA的起源进行了更深入的探讨，为了解地幔的成分及演化提供了新思路。

本研究对全球新生代板内玄武岩（图2）数据进行了详细的搜集、整理，发现大洋玄武岩和大陆玄武岩的Sr-Nd-Pd-Hf同位素组成均与熔融程度（本文用Nb含量指示其熔融程度）具有明显的内在联系：地幔高程度部分熔融所形成的低Nb玄武岩（Nb-N<100）具有非常不均一的同位素组成，但是随着熔融程度降低，高Nb玄武岩（Nb-N>100）的同位素组成相对均一（图3）。此外，这些低熔融程度玄武岩同位素组成与之前所定义的“depleted kimberlite source”和PREMA非常类似。本研究还对高Nb玄武岩与金伯利岩的微量元素进行了对比（图4），通过部分熔融模型验证了高Nb玄武岩与金伯利岩代表相同地幔源区（PREMA）在不同压力下熔融（盖层效应）的产物。

由于新生代高Nb玄武岩在全球不同的地质背景下都普遍存在（图2），因此PREMA与核幔边界的LLSVPs没有必然的成因关系。结合全尺度的地幔对流模拟，本研究认为PREMA可能是原始球粒陨石地幔在早期地球阶段经历部分熔融所形成的（super-chondritic model），经过四十五亿年演化之后仍弥漫在整个地幔，特别是上地幔当中（图5）。易熔的PREMA组分在上升到地幔浅部后，其内部的金刚石会经历氧化还原熔融形成我们所看到的高Nb玄武岩和金伯利岩。但随着源区的进一步上涌进而发生更高程度的部分熔融，熔体中的PREMA特征会被其他的地幔组分（亏损地幔或者再循环物质）所稀释，因而更高程度部分熔融玄武岩具有显著不均一的成分特征（图3）。该工作为研究地幔储库PREMA成因提供了新解，为研究地幔动力学过程提供了新思路。

图1 全球大洋玄武岩及PREMA组分的范围

图2 全球新生代板内玄武岩的分布及核幔边界LLSVPs, 白色十字为高Nb玄武岩

图3 全球新生代板内玄武岩的原始地幔标准化Nb含量（Nb-N）与放射性同位素及微量元素比值，PREMA及kimberlite的范围与图1中的一致

图4（a）全球高Nb玄武岩及金伯利岩的微量元素蛛网图;（b）高Nb玄武岩源区在更高压力下部分熔融所形成的熔体与金伯利岩的对比

图5 4.5 Ga全球尺度地幔对流模拟后的地幔物质分布，黄色为原始地幔组分——PREMA，灰色为亏损的岩石圈地幔，黑色为玄武质的洋壳；右图为在垂向上地球内部原始地幔组分含量的分布

本项工作发表于《Nature Communications》上，第一作者为中国地质大学（北京）博士生蔡荣华，通讯作者为刘金高教授。其余合作者为来自加拿大阿尔伯塔大学的Graham Pearson教授，瑞士苏黎世联邦理工学的Andrea Giuliani研究员和Senan Oesch博士，美国卡内基研究所的Peter E. van Keken教授。具体论文信息如下：Cai, R., Liu, J.*, Pearson, D.G., Giuliani A., van Keken, P.E., Oesch S. Widespread PREMA in the upper mantle indicated by low-degree basaltic melts. Nature Communications 14, 8150 (2023).

全文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-43845-4