华北克拉通中玄武岩的钼同位素特征差异与不同的俯冲过程有关

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Contrasting Mo isotopic signatures in basalts linked to distinct subduction processes in the North China Craton

　　摘要：俯冲作用是推动地幔演化和物质循环的重要过程，但如何区分海洋俯冲与大陆俯冲对地幔异质性的贡献仍是一个挑战。本研究利用钼同位素，结合中国北方克拉通辽宁西部四合屯和山东西部费县早白垩世玄武岩的元素及Sr-Nd-Pb同位素数据，分析了不同俯冲过程对这些地区的影响。四合屯玄武岩具有较轻的钼同位素组成（δ98/95Mo为-0.97至-0.60‰）、较低的钼含量（0.32至0.41 ppm）、较高的Ce/Mo比值（292至426），以及类似EMI型的Sr-Nd同位素组成。这些特征表明其地幔源物质包含脱水后的海洋地壳和深海沉积物，可能与古太平洋板块的海洋俯冲有关。而费县玄武岩则表现出较重的钼同位素特征（δ98/95Mo为-0.09至0.07‰）、较高的钼含量（1.1至1.4 ppm）、较低的Ce/Mo比值（137至197），以及类似EMII型的Sr-Nd同位素组成。这些特征说明其地幔源物质中含有再循环的大陆地壳和陆源沉积物，意味着其来源既受到扬子大陆的深俯冲影响，也受到古太平洋板块俯冲的影响。中国北方克拉通内不同的钼同位素变化表明，海洋俯冲会导致较轻的钼同位素特征，而大陆俯冲则会使上覆岩石圈地幔出现较重的钼同位素特征。本研究凸显了钼同位素作为追踪俯冲相关过程的有效示踪剂的作用，为了解海洋俯冲和大陆俯冲如何驱动地幔富集及全球地球化学循环提供了新见解。

引言：无论是海洋俯冲还是大陆俯冲，都是地球物质循环中的关键过程，对地幔的化学成分和演化起着重要作用（Zheng等，2016；Brooker等，2024）。这些过程对于理解地幔动力学和解读全球地球化学循环至关重要（Spandler和Pirard，2013；K?nig等，2016；Gamal等，2020；Genge等，2025）。尽管海洋俯冲和大陆俯冲都会促进物质循环，但它们可能导致不同的地幔富集效应，区分这两种过程的贡献仍是一项重要挑战。俯冲过程中再循环物质的地球化学特征受多种因素影响，包括构造环境、俯冲带过程以及被俯冲物质的性质（Gaschnig等，2017；Ahmad等，2021；Zeng等，2025）。以往的研究试图通过特定的地球化学指标来区分不同的构造环境。例如，大陆地壳物质（如大陆地壳和沉积物）的参与通常会导致特征性的地球化学信号，如较高的87Sr/86Sr比值、较低的εNd(t)值以及明显的铅同位素异常（Ma等，2000；Huang等，2023）。相比之下，海洋俯冲系统则通常以来自（经过改变的）海洋地壳和海洋沉积物的流体和熔体的再循环为特征，这可能会产生从贫化到富集不等的Sr-Nd-Pb同位素组成（Plank等，1998，2014；Freymuth等，2015；K?nig等，2016；Villalobos-Orchard等，2020）。然而，这些同位素示踪剂常常会被俯冲板片衍生的流体和熔体以及海洋和大陆沉积物的影响所掩盖或干扰。这样的复杂性给解释与俯冲相关的岩浆性质以及区分不同俯冲过程带来了很大不确定性。因此，寻找更可靠的地球化学指标或结合多种地质和地球化学参数来确定俯冲类型，仍是固体地球科学领域中一项重要且具有挑战性的任务。

钼同位素因其独特的氧化还原敏感性和地球化学性质，成为追踪俯冲相关变化的理想工具（Freymuth等，2015；Freymuth等，2016；Liang等，2016；Gaschnig等，2017；Casalini等，2019；Chen等，2019；Ahmad等，2021；Li等，2021a；Willbold等，2023；Fang等，2024；Zeng等，2025；Huang等，2025）。被俯冲物质的岩性，如海洋地壳、大陆地壳以及陆源或海洋沉积物，对地幔富集的贡献程度不同，进而影响弧岩浆和板内玄武岩的钼同位素特征。在以板片流体为主的系统中，火山前沿附近的岩浆表现出相对较重的δ98/95Mo值，而在流体影响较小的弧后熔岩中则呈现更接近地幔的数值（例如堪察加弧；Willbold等，2023）。伊豆-小笠原-马里亚纳弧（Villalobos等，2020；Li等，2021a,b）、东阿留申弧（Rojas-Kolomiets等，2023）以及汤加弧（Ahmad等，2021）的弧岩浆也保留了类似的较重δ98/95Mo特征，因为其地幔源物质受到了板片流体的影响。相反，以板片熔体为主的岩浆，如马里亚纳海沟中部的岩浆，通常具有较轻的δ98/95Mo值（-0.65至-0.17‰），西阿留申地区的岩浆则为-0.38至0.06‰，这体现了流体与熔体在不同同位素特征上的差异（Li等，2021b；Rojas-Kolomiets等，2023）。以沉积物为主的俯冲相关岩浆则表现出多样的钼同位素特征，从较轻的δ98/95Mo值（如青藏高原安山岩：-0.69至-1.62；Huang等，2025）到较重的δ98/95Mo值（如意大利半岛钾盐-超钾盐岩：0.08至0.26‰；秦岭-桐柏造山带闪长岩：-0.15至0.40‰）都有出现（Casalini等，2019；Fu等，2023）。钼同位素在俯冲过程中的这些独特行为使其在区分不同俯冲过程产生的再循环物质方面具有显著优势。此外，钼同位素还能追踪在长期俯冲过程中板片衍生流体向板片衍生熔体的转化过程，以及与之相关的水-岩相互作用（Zhang等，2020；Fang等，2024）。在大陆俯冲研究中，钼同位素同样具有强大作用，其优势在于不仅能追踪反映地壳再循环和脱水的从重到轻的钼同位素变化，还能揭示被俯冲沉积物的氧化还原敏感行为及其特征（Fu等，2023；Fang等，2022；Huang等，2023，2025）。这些特性使得钼成为追踪俯冲动力学和氧化还原环境的关键示踪剂。当钼同位素与其他同位素系统如Sr-Nd-Pb结合使用时，可为解开俯冲过程中地幔蚀变和物质循环的复杂机制提供有力手段。

中国北方克拉通为研究海洋俯冲和大陆俯冲对地幔组成的不同影响提供了独特的机会。在中生代时期，该克拉通既经历了古太平洋板块的海洋俯冲，也经历了扬子大陆的深大陆俯冲（图1；Zheng等，2009；Windley等，2010；Zhu等，2019）。这两种类型的俯冲深刻影响了克拉通下方的地幔，但海洋俯冲与大陆俯冲对地幔富集的具体贡献仍不明确。位于克拉通北部的四合屯玄武岩主要受到古太平洋板块海洋俯冲的影响（Gao等，2008；Geng等，2019），而位于克拉通东南部的费县玄武岩则同时受到了古太平洋板块的海洋俯冲和扬子大陆的大陆俯冲影响（Zhang等，2002；Xu等，2004）。不过，大陆俯冲在费县的影响更为显著（Zhang等，2003；Guo等，2013），因此该地区是研究这两种俯冲机制对地幔演化共同影响的理想场所。我们的研究发现了四合屯和费县早白垩世玄武岩之间此前未被报道的钼同位素以及Sr-Nd-Pb同位素差异，为了解地幔蚀变过程提供了新见解。四合屯玄武岩和费县玄武岩分别呈现出轻重不同的钼同位素特征。这些发现不仅有助于了解其地幔源物质中再循环物质的不同贡献，还体现了钼同位素作为追踪俯冲过程中复杂物质循环的有效工具的潜力。

地质背景与样品：中生代期间，中国北方克拉通东部由于周边板块的俯冲和碰撞作用，发生了显著的岩石圈变化，这些周边板块包括古亚洲板块、蒙古-鄂霍次克海板块和古太平洋板块，以及扬子克拉通（Zheng和Chen，2016；Windley等，2010；Zhu等，2012b，2019；Ma等，2024；Wu等，2023）。尤其是扬子克拉通的深俯冲和古太平洋板块的俯冲，对这些地区产生了深远影响。

全岩主量元素和微量元素及Sr-Nd-Pb同位素分析：全岩主量元素分析是在中国地质大学（武汉）使用岛津XRF-1800顺序X射线荧光仪进行的。该仪器的工作电压为40 kV，电流为70 mA，样品制备和分析流程遵循Ma等（2012）描述的步骤。分析过程中，参考样品GBW07105与样品一同进行分析，分析不确定度低于3%。微量元素和Sr-Nd-Pb同位素分析则在武汉进行。

四合屯玄武岩：四合屯玄武岩的MgO含量为10.4%至12.5%（重量百分比），SiO2含量为51.5%至53.3%（重量百分比），总碱量（Na2O + K2O）为5.0%至5.2%（重量百分比），属于粗面玄武岩（图3a）。这些玄武岩的CaO含量为7.8%至8.6%（重量百分比），Fe2O3含量为8.8%至9.13%（重量百分比），TiO2含量为0.82%至0.86%（重量百分比），Al2O3含量为12.7%至13.5%（重量百分比），Mg#值为65.5%至73.3%，Ni含量为250 ppm至308 ppm（表S1）。其微量元素模式表现为轻稀土元素和重稀土元素（如Rb和Ba）的富集，以及重稀土元素（如Nb和Ta）的亏损。

在探讨主要的地幔过程之前，我们首先研究一下蚀变、地壳同化、分异结晶和部分熔融可能产生的影响。

结论：1. 中国北方克拉通四合屯和费县的玄武岩具有不同的钼地球化学和同位素特征。位于克拉通北部的四合屯玄武岩具有较高的Ce/Mo比值（292至426）、较轻的δ98/95Mo值（-0.97至-0.60‰）、类似EMI型的Sr-Nd同位素组成以及较低的铅同位素值。而位于克拉通东南部的费县玄武岩则具有较低的Ce/Mo比值（137至197）、较重的δ98/95Mo值（-0.09至0.07‰）、类似EMII型的Sr-Nd同位素组成以及较高的铅同位素值。2. 这些地球化学特征……

致谢：本文得到了执行编辑董海亮、副编辑刘景高以及Aleksandr Marfin和三位匿名审稿人的宝贵意见。本研究还得到了中国国家重点研发计划（2023YFF0804200）和国家自然科学基金（42322205和42288201）的支持。

作者名单：郭建芳|马强|马良|徐一刚|郑建平|张超|胡浩