前寒武纪地幔交代作用在现代HIMU型板内玄武岩Nd-Hf同位素组成中的保存及其构造意义

本研究针对HIMU（高238U/204Pb）型地幔端元成因争议，通过分析墨西哥Isla Isabel岛玄武岩的Sr-Nd-Hf-Pb同位素组成，提出其HIMU特征源自≥600 Ma古俯冲背景下大陆岩石圈地幔交代作用，而非传统认为的洋壳循环。该成果为理解地幔不均一性形成机制提供了新视角，发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

　　

【研究背景】
地球深部地幔如同一个巨大的时间胶囊，保存着数十亿年地质活动的化学指纹。其中HIMU（高μ，μ=²³⁸U/²⁰⁴Pb）型地幔端元因其异常高的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb比值（通常≥20），长期以来被视为古老洋壳通过板块俯冲循环进入地幔的直接证据。经典理论认为，俯冲洋壳在脱水过程中优先丢失流体活动性元素Pb，导致U/Pb比值升高，经长期放射性衰变形成高放射成因Pb同位素特征。然而，这一传统解释正面临挑战——越来越多研究表明，碳酸盐循环、挥发分活动等过程同样可能产生类似地球化学特征。

墨西哥西部的Isla Isabel岛为此争议提供了独特案例。这个面积仅约1 km²的板内火山岛，其玄武岩展现出与典型HIMU热点（如St. Helena和Mangaia）近乎一致的Nd-Hf同位素特征，但地质背景却与深部地幔柱或洋壳循环模型存在明显矛盾。更引人注目的是，该区域大陆地质记录仅保存了不到165 Ma（墨西哥科迪勒拉造山期）的信息，而Isla Isabel可能记录了≥600 Ma的古俯冲事件。这种"消失的地质记录"与地幔化学印记的强烈反差，促使研究者重新审视HIMU端元的成因机制。

【研究方法】
由瑞士联邦理工学院（ETH Zürich）领衔的研究团队对Isla Isabel的9个玄武岩样本进行了系统的Sr-Nd-Hf-Pb同位素分析（样本由美国史密森尼博物馆提供）。技术手段包括：1）采用多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf和Pb同位素组成；2）热电离质谱（TIMS）分析⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值；3）结合已有主微量元素数据开展混合模拟计算。所有数据通过地球化学数据库（Earthchem）公开共享。

【研究结果】

1. 同位素组成特征
   Isla Isabel样品显示出高度均一的同位素特征：²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=18.70-18.82（低于典型HIMU阈值20但显著高于多数地幔熔体），¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd≈0.5128，¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf≈0.2829。Nd-Hf同位素系统偏离全球地幔阵列，指示其源区经历过导致Sm/Nd和Lu/Hf比值降低的古老富集事件。

2. 与典型HIMU对比
   虽然Pb同位素未达典型HIMU水平，但其Nd-Hf系统与St. Helena等HIMU热点高度重叠（图3b,d）。关键差异在于：Isla Isabel玄武岩具有更高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr（≈0.7035 vs. HIMU的≈0.7025），且缺乏深部循环洋壳应有的地球化学标志（如高Ce/Pb）。

3. 成因模型
   质量平衡模拟表明，Isla Isabel熔体可由亏损地幔（DMM）与15-25%富集组分混合形成。该富集组分具有：① 高²³⁸U/²⁰⁴Pb（μ≈15）和²³²Th/²⁰⁴Pb（κ≈4.0）；② 低¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd（≈0.10）和¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf（≈0.015）；③ 富集大离子亲石元素（如Ba）但亏损K、Pb的特征。这些特征与大陆岩石圈地幔（CLM）经历古俯冲交代作用的预期完全吻合。

【结论与意义】

1. 创新性认识：
   • 首次证实大陆岩石圈地幔交代作用可产生准HIMU同位素特征，突破了"HIMU=循环洋壳"的传统范式
   • 将墨西哥西部地幔演化历史追溯至前寒武纪（≥600 Ma），远早于该区现存地表地质记录（<165 Ma）

2. 理论发展：
   研究建立了古俯冲交代-大陆岩石圈保存-现代板内火山作用的地球化学链条，为理解地幔化学不均一性提供了新机制。这种通过板内岩浆"透视"消失的地质历史的方法，为研究其他古老构造域提供了范例。

3. 未来方向：
   作者建议加强对全球HIMU型火山系统的CLM贡献评估，特别是那些缺乏深部地幔柱证据的地区。同时指出，需要开发新的地球化学指标（如S同位素非质量分馏）来区分不同成因的HIMU特征。

这项发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》的研究，由Leonie Sieger、Bradley J. Peters等学者完成，不仅解决了特定区域的地球化学谜题，更重塑了我们对地幔演化与地表构造记录关系的认知框架。