软流圈是地球内部一个“承上启下”的圈层。软流圈地幔在大洋中脊被动上涌而发生减压熔融，形成的熔体向上抽取进入岩浆房并经历一系列演化后形成洋壳，熔融的残留即为大洋岩石圈地幔。根据大洋中脊玄武岩（MORB）较为均一的化学成分，早期研究推测地幔对流可有效导致软流圈化学组成的高度均一化。然而，最近20多年深海橄榄岩的同位素研究成果表明软流圈在不同尺度上存在高度的不均一性。其中，最为瞩目的成果是利用Re-Os和Lu-Hf同位素在深海橄榄岩中识别出古老的（Re亏损模式年龄高达20多亿年）、超亏损的（εHf值高达+200以上）地幔组分，指示其经历非常古老的部分熔融和熔体抽取事件。这些古老的熔融事件的发生显然远远早于现今大洋的扩张时代（小于200 Ma），因此软流圈中的古老地幔被看作再循环进入大洋中脊的组分。然而，目前对软流圈中古老地幔组分的来源和成因还缺乏约束，主要观点包括：（1）通过俯冲作用再循环进入软流圈的古老大洋地幔，（2）通过拆沉或地幔柱热侵蚀再循环进入软流圈的大陆岩石圈地幔，（3）受俯冲影响拆沉进入软流圈的古老岛弧地幔楔（图1）。
图1 软流圈中古老地幔的来源和成因的不同观点（MOR：大洋中脊；SCLM：大陆岩石圈地幔）
对深海橄榄岩的深入研究显然可为理解软流圈的不均一性及其诱因提供直接的证据。而作为古大洋岩石圈在大陆上的残留，蛇绿岩中的地幔橄榄岩不仅可用来约束古大洋之下软流圈的性质，而且可为认识现今软流圈提供重要参考。新特提斯洋是中生代以来位于南半球冈瓦纳大陆和北半球欧亚大陆之间的古海洋，也是地质历史上最后消失的一个大洋。沿大约7000 km的新特提斯缝合带分布有大量的蛇绿岩，是用来研究新特提斯洋演化及其软流圈地幔的性质、组成和不均一性的重要载体。鉴于现今大洋深海橄榄岩的样品十分有限，新特提斯蛇绿岩中的地幔橄榄岩成为研究软流圈不均一性的重要补充。基于以上考虑，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室的刘通博士后、吴福元院士、刘传周研究员及团队成员与中国地质大学（北京）的朱弟成教授合作，利用新特提斯缝合带西段土耳其境内的Kop Mountain蛇绿岩中的地幔橄榄岩（图2），同时结合新特提斯蛇绿岩的已有数据，对软流圈的不均一性及其成因进行了深入探讨。
图2 新特提斯缝合带西段蛇绿岩分布、Kop Mountain蛇绿岩位置（a）及地质简图（b）
研究显示，Kop Mountain蛇绿岩中的地幔橄榄岩具有相对饱满的化学组成，如全岩Al2O3和CaO含量分别介于0.6-2.3 wt.%和0.7-2.4 wt.%，斜方辉石和单斜辉石的Al2O3含量分别介于1.6-3.6 wt.%和1.3-3.4 wt.%，尖晶石的Cr#值介于14.3-55.0。这些特征与全球深海橄榄岩的成分类似，而区别于弧前橄榄岩和大陆岩石圈地幔橄榄岩的组成。尖晶石Cr#值估算结果指示这些橄榄岩经历了低-中等程度的部分熔融（5%-18%），单斜辉石微量元素模拟结果进一步表明其经历无水条件下的部分熔融，而不同于岛弧地幔普遍经历的含水熔融。此外，Re-Os和Lu-Hf同位素研究指示Kop Mountain地幔橄榄岩经历了古老的熔融事件（高达15亿年），并于新特提斯洋中脊遭受侏罗纪的熔体交代作用。以上研究表明，Kop Mountain蛇绿岩中的地幔橄榄岩是典型的大洋地幔橄榄岩，并非前人认为的弧前橄榄岩。Kop Mountain蛇绿岩形成于大洋中脊的构造环境，可能在初始俯冲过程中遭受熔体交代的影响。鉴于这些橄榄岩相对饱满的化学组成和古老的Os同位素模式年龄，它们应代表了俯冲再循环进入新特提斯软流圈的古老大洋地幔，并在新特提斯洋扩张过程中对流到达洋中脊下方。
结合Kop Mountain蛇绿岩和现有的新特提斯蛇绿岩的Re-Os同位素数据，该研究建立了新特提斯地幔橄榄岩的Re-Os同位素数据库，并与全球深海橄榄岩的Re-Os同位素分布进行了统计学对比。结果显示新特提斯地幔橄榄岩的Re-Os同位素分布与深海橄榄岩在统计学上高度一致（图3），因此指示二者经历了类似的熔融历史。根据不同蛇绿岩的产出位置、Re-Os同位素数据库和现今大洋研究进展，研究人员恢复了地质历史时期新特提斯软流圈的不均一状态（图4）。与现今软流圈类似，新特提斯软流圈也具有高度的不均一性，含有大量再循环的古老地幔。古老大洋地幔存在于Kop Mountain、阿尔卑斯、阿曼和西藏日喀则蛇绿岩中（图4b）；古老大陆地幔主要位于阿尔卑斯和西藏雅鲁藏布西段和东段蛇绿岩；古老的岛弧地幔楔在新特提斯软流圈中可能占据较高比例（>60%），这与新特提斯蛇绿岩中含有大量难熔古老地幔的事实一致。
图3 新特提斯蛇绿岩地幔橄榄岩与全球深海橄榄岩的Re-Os同位素分布的统计学对比
图4 新特提斯在地质历史上的演化、缝合带位置（a-b）及其软流圈的不均一状态和再循环的古老地幔性质（c）
软流圈作为MORB的源区，它的组成和均一程度直接决定了MORB的化学组成。现今大洋中脊已报道了具有异常化学组成的玄武岩，如富K熔岩、E-MORB（富集大洋中脊玄武岩）、岛弧拉斑玄武岩以及著名的Dupal同位素异常。这些异常化学组分的存在被普遍归因于再循环的古老地幔物质导致的软流圈源区的不均一性。例如，富K熔岩和E-MORB的出现可利用软流圈中再循环的再富化的大陆岩石圈地幔的部分熔融来合理解释。此外，智利洋脊的具岛弧特征的玄武岩也被解释为洋中脊俯冲过程中上覆岛弧地幔楔经板片窗再循环进入软流圈并发生熔融。鉴于新特提斯与现今软流圈高度一致的不均一状态，其中大量存在的再循环的古老地幔可作为蛇绿岩中玄武岩的潜在源区。因此，新特提斯蛇绿岩的玄武岩表现出的岛弧地球化学印记也可能由再循环的古老地幔的熔融而导致，传统的洋内初始俯冲、弧前扩张、SSZ（Suprasubduction zone）蛇绿岩等一系列观点和模型无疑将受到挑战。在地质和构造特征上，蛇绿岩与大洋岩石圈高度一致，指示其形成于大洋中脊的构造环境；而在地球化学特征上，蛇绿岩的玄武岩存在岛弧印记，被解释为形成于俯冲带相关的构造环境（弧前或弧后盆地）。这种地质和地球化学证据之间的矛盾称为蛇绿岩悖论（Ophiolite conundrum）。对蛇绿岩悖论的传统解释是全球90%以上的蛇绿岩形成于SSZ的构造环境。而该研究指出再循环的古老物质导致的软流圈不均一性为解释蛇绿岩悖论提供了另一种可能，利用玄武岩的地球化学特征来判别蛇绿岩形成的构造环境还需谨慎。
该研究的科学意义在于：
（1）首次提出蛇绿岩中成分饱满、时代古老的地幔橄榄岩代表再循环进入软流圈的古老大洋地幔；
（2）揭示了地幔部分熔融和熔体交代过程中Re-Os和Lu-Hf两种同位素体系表现出的不同地球化学行为；
（3）通过建立的Re-Os同位素数据库恢复了新特提斯软流圈的不均一状态及其中古老地幔的来源和分布，指出其与现今软流圈具有高度相似的熔融历史；
（4）印证了软流圈不均一性是蛇绿岩悖论的一种合理解释（即历史继承性理论），对传统观点提出挑战。
研究成果发表于国际权威学术期刊Geochimica et Cosmochimica Acta (刘通*, 吴福元, 刘传周, 朱弟成, 林音铮. Recycling of ancient sub-oceanic mantle in the Neo-Tethyan asthenosphere: Evidence from major and trace elements and Hf–Os isotopes of the Kop Mountain ophiolite, NE Turkey[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021, 311: 43-58. DOI: 10.1016/j.gca.2021.08.003)
黄教授
