高3He/4He巴芬岛熔岩的钒同位素组成

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Vanadium Isotopic Compositions of the High-3He/4He Baffin Island Lavas

　　

热点熔岩的钒（V）同位素组成提供了对深部地幔非均质性来源的新认识。研究人员测量了古近纪巴芬岛熔岩的钒同位素组成，这些熔岩喷发于冰岛地幔柱头部之上，以约束地幔柱源区。这些熔岩的钒同位素组成比大多数其他地幔来源熔岩更轻（?0.96 ± 0.02‰，2 s.e.，n = 25），而其他地幔来源熔岩的δ⁵¹V = ?0.89 ± 0.02，2 s.e.，n = 69。该差异在99.8%置信区间内具有统计显著性。在巴芬岛测得的⁵¹V/⁵⁰V比值难以用陆壳混染、分离结晶、晶体堆积、地幔熔融过程中的同位素分馏或沉积物再循环来解释。可能，巴芬岛熔岩取样了一个古老的（>3 Ga）熔体亏损地幔储库。然而，这无法解释与冰岛地幔柱相关的较年轻熔岩中同样低的⁵¹V/⁵⁰V。相反，巴芬岛熔岩的钒同位素组成可能与地核影响物质加入冰岛地幔柱一致。整体地核向最下地幔的平流传输不太可能，因此研究人员假设，如果钒同位素差异源于地核-地幔相互作用，钒分配进入地核析出氧化物，这些氧化物赋予了巴芬岛地幔源区类似地核的钒同位素组成。

**论文解读：巴芬岛高³He/⁴He熔岩的钒同位素组成及其对地核-地幔交换的指示**

**研究背景与问题**

地幔柱上涌携带了深部地幔非均质性的地球化学证据。一些地幔柱来源的岩浆含有同位素异常，如类太阳的稀有气体组成和早期灭绝短寿命放射性核素衰变产物的异常丰度，暗示深部地幔存在早期形成且相对于对流上地幔脱气较少的域。这些原始组分可能来源于古老的地幔域，也可能标志着地核-地幔边界（CMB）的化学或同位素交换。尽管存在争议，但CMB的化学交换可能影响地幔的化学演化，进而对理解类地行星吸积、地幔动力学和板块构造具有广泛意义。钒（V）同位素提供了一种示踪地核-地幔相互作用的替代方法。由于地核相对于硅酸盐地球具有更轻的δ⁵¹V值（地核约为?1.4 ± 0.1‰，而BSE约为?0.87 ± 0.02‰），因此从地核向最下地幔的V转移可能导致可测量的负V同位素异常。巴芬岛熔岩是冰岛地幔柱最早期的产物，具有最高的岩浆³He/⁴He比值，这暗示其可能含有地核来源物质，但此前在该熔岩中未检测到W同位素异常，与地核-地幔交换的假设存在矛盾。研究人员通过报道巴芬岛熔岩的V同位素数据，进一步探讨这些假定的地核-地幔相互作用。

**所开展的研究与结论**

研究人员测量了25个古近纪巴芬岛熔岩样品的全岩V同位素组成，这些熔岩喷发于约62 Ma，是冰岛地幔柱头部最早的产物之一。结果显示，巴芬岛熔岩的逆方差加权平均δ⁵¹V值为?0.96 ± 0.02‰（2 s.e.，n=25），显著低于MORB、科马提岩和橄榄岩等定义BSE的平均值（?0.87 ± 0.02‰，2 s.e.，n=69），该差异在99.8%置信区间内具有统计显著性。通过对比与统计检验，研究人员排除了陆壳混染、分离结晶（尤其是Cr-尖晶石堆积）、地幔熔融分馏以及再循环沉积物等常规过程对负δ⁵¹V异常的贡献。研究认为，该异常可能源于一个古老的熔体亏损地幔储库，但这一解释难以调和巴芬岛熔岩中高³He/⁴He比值的存在以及冰岛相关雷克雅内斯海岭熔岩中同样低的δ⁵¹V值。因此，研究人员初步提出，巴芬岛熔岩的δ⁵¹V异常可能最终来源于地核。由于整体地核向地幔的机械混合在热力学和物理上不可行，研究人员假设地核析出氧化物（如Fe-Mg氧化物）可能优先富集V相对于W，这些氧化物进入下地幔后降低了冰岛地幔柱的δ⁵¹V，而未引起可检测的W同位素异常。该研究发表在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》上。

**关键技术与方法**

研究人员采用以下关键技术方法（忽略试剂与具体操作步骤）：全岩V同位素分析采用四步阳离子/阴离子交换色谱法纯化V，随后使用Neptune多接收电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）测定同位素组成，以中分辨率模式消除同量异位干扰，并通过标准样品交叉法计算δ⁵¹V值。原位Cr-尖晶石微量元素浓度测定采用193 nm准分子激光剥蚀系统（LA）耦合四极杆ICP-MS，以NIST SRM 610玻璃为校准标准，²⁷Al为内标。样本来源：2018年采集自巴芬岛的Paallavvik岛、Aggijjat岛和Cape Dyers的25个熔岩样品及3个沉积岩样品。

**研究结果**

**4.1 全岩V同位素结果**：巴芬岛熔岩的V浓度为180–296 μg g^?1，随MgO升高而降低。逆方差加权平均δ⁵¹V为?0.96 ± 0.02‰（2 s.e.，n=25），且Shapiro-Wilks检验表明数据无显著变异，代表单一V同位素组成。三个沉积岩样品V浓度较低（16–53 μg g^?1），δ⁵¹V变化于?0.78‰至?0.94‰之间。

**4.2 统计对比**：通过Monte Carlo bootstrap模拟，巴芬岛熔岩与MORB、橄榄岩和科马提岩的δ⁵¹V分布重叠度较低（分别为33%、39%和20%），但与雷克雅内斯海岭熔岩重叠度高达92%。Student t检验表明，MORB数据集均值与巴芬岛δ⁵¹V在99.8%置信水平上存在显著差异。

**4.3 Cr-尖晶石微量元素**：Cr-尖晶石中V浓度范围为357–4750 μg g^?1，平均1112 μg g^?1。V浓度随Ti、Mn、Cu升高而升高，随Al、Cr、Ni升高而降低。尖晶石在样品中分布均匀，不同赋存状态（橄榄石包裹体、边缘、基质）的V浓度无显著差异。

**讨论部分总结**

研究人员系统评估了多种可能解释负δ⁵¹V异常的机制。陆壳混染被排除，因为沉积岩具有更高的δ⁵¹V和更低的V浓度，且放射性同位素约束的混染程度<1%。分离结晶（尤其是Cr-尖晶石堆积）被否定，因为所需尖晶石含量（15%–23%）或矿物-熔体分馏因子（Δ⁵¹V_{矿物-熔体} ~ ?1.2‰）远高于实际观测值，且δ⁵¹V与尖晶石含量、MgO或Cr浓度无相关性。地幔熔融分馏最多产生微弱效应，因为巴芬岛熔岩的熔融程度（F=25%）介于MORB和科马提岩之间，但δ⁵¹V却低于两者。古老熔体亏损地幔域可能贡献轻同位素，但无法解释雷克雅内斯海岭熔岩中同样低的δ⁵¹V，且与高³He/⁴He比值矛盾。再循环沉积物被排除，因为巴芬岛熔岩的放射成因同位素组成亏损，且Tl同位素无异常，限制了氧化性富V沉积物的加入。最终，地核-地幔交换被认为是合理机制：整体地核加入需要10%–20%的地核物质，但被W同位素约束排除；而地核析出氧化物（如magnesiowüstite）在CMB条件下可能优先富集V（相对于W），基于实验分配系数（V在O-rich金属熔体中相对W富集40–500倍）和高压下Fe²⁺低自旋态与V³⁺离子半径相似性。这些氧化物进入下地幔后，可产生V同位素异常而不产生W同位素异常。此外，扩散过程也可能增强轻V同位素向地幔的传输。

**结论部分翻译**

巴芬岛熔岩的δ⁵¹V为?0.96 ± 0.02‰，在统计上低于用于定义BSE的MORB、科马提岩和橄榄岩的平均δ⁵¹V值。这一δ⁵¹V偏移难以用部分熔融、Cr-尖晶石结晶、地幔柱源区中再循环沉积组分的卷入或陆壳混染过程中的V同位素分馏来解释。巴芬岛熔岩中的δ⁵¹V异常可能源于非均匀分布的亏损地幔域，这些域因古老熔融事件而含有低δ⁵¹V。然而，这难以与巴芬岛熔岩中高³He/⁴He比值的存在以及冰岛相关雷克雅内斯海岭熔岩中可能低的δ⁵¹V相调和。研究人员初步提出，巴芬岛熔岩中的δ⁵¹V异常可能最终来源于地核。基于现有的实验分配数据，地核析出氧化物可能优先富集V相对于W。研究人员认为，这些氧化物如果进入下地幔，可能降低了冰岛地幔柱的δ⁵¹V，而未引起可检测的W同位素异常。如果确实如此，V同位素可提供一种有用的地球化学工具来约束地核-地幔交换。