蘇本勛等-AJS：大洋巖石圈地幔廣泛的水化作用：來自反轉的礦物間Fe-Zn同位素分餾的制約

大洋巖石圈地幔是地球內部與表層系統之間物質和能量交換的關鍵紐帶，其形成演化與部分熔融、熔體交代和水化作用等密切相伴。傳統觀點認為，水化主要發生在洋中脊熱液蝕變或后期蛇紋石化過程中，屬于淺部、局部現象。然而，中國科學院地質與地球物理研究所蘇本勛研究員及合作者，在西藏普蘭蛇綠巖（圖1）的巖石學基礎上對其橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和尖晶石等共存礦物的Fe-Zn同位素分析發現，蛇綠巖地幔橄欖巖普遍呈現出與大陸地幔捕虜體截然相反的同位素分餾序列：硅酸鹽礦物（橄欖石、輝石）的δ56Fe和δ66Zn值普遍高于共存的尖晶石，而理論平衡分餾和大陸地幔捕虜體的觀測結果則顯示尖晶石富集重Fe和重Zn同位素（圖2）。這一“反轉”的礦物間同位素分餾現象同樣見于全球蛇綠巖、深海橄欖巖和造山帶橄欖巖中，表明它可能是大洋巖石圈地幔的一個普遍特征。

圖1 普蘭蛇綠巖構造位置及地質簡圖

圖2 普蘭蛇綠巖中橄欖巖及其他類型橄欖巖中礦物的Fe-Zn同位素組成對比

研究進一步揭示，部分熔融和熔體交代作用僅能解釋樣品之間的部分同位素差異，而無法解釋礦物之間的系統性同位素反轉。相反，以含水流體為媒介所引起的元素交換才是核心機制：水顯著提高了擴散速率，使Fe和Zn從硅酸鹽向尖晶石遷移，同時Mg向硅酸鹽遷移，導致硅酸鹽相對富集重Fe和重Zn同位素（圖3）。這一過程不受礦物顆粒邊界的限制，能夠在厘米至米尺度上實現大范圍元素遷移，并且全球蛇綠巖橄欖石的水含量與Fo值呈正相關，進一步證實了水化驅動的成分改造（圖4）。

圖3 普蘭及全球其他蛇綠巖中礦物Fe-Zn同位素變化及其受控因素

這項研究從礦物間Fe-Zn同位素反轉分餾的獨特視角，揭示了大洋巖石圈地幔的普遍水化并非局部的淺表過程，而是深刻重塑了地幔地球化學特征、流變性質和揮發分循環的深部作用。該發現不僅挑戰了傳統地幔演化模型中“干”地幔的假設，也為重新理解大洋巖石圈的形成、俯沖帶動力學以及全球構造與地球化學演化提供了關鍵約束。

圖4 地幔水化作用過程流體為媒介所引發的礦物間元素交換示意圖

研究成果發表于國際學術期刊AJS（蘇本勛, 肖燕, 王靜, 潘旗旗, 趙壽騫. Reversed inter-mineral Fe-Zn isotope fractionation in ophiolitic peridotites: Evidence for widespread hydration of oceanic lithospheric mantle[J]. American Journal of Science, 2026, 326: Article 7. DOI:10.2475/001c.160209.）。