地壳物质可通过俯冲和拆沉作用进入地幔，进而造成地幔化学组成和岩性的不均一。因此，识别这些再循环地壳组分的地球化学指纹，是认识壳幔相互作用以及揭示地幔不均一形成与演化过程的关键。玄武岩是地幔部分熔融的产物，其元素和同位素组成记录了地幔源区的物质组成与熔融过程。近年来，Fe稳定同位素逐渐成为识别地幔源区再循环地壳组分和岩性不均一的重要示踪工具。受再循环地壳物质影响的玄武岩常表现出高于原始地幔的重Fe同位素组成，但这种重Fe同位素信号究竟来源于再循环洋壳形成的榴辉岩/辉石岩组分，还是与再循环碳酸盐引起的地幔氧化有关，仍存在争议。赤峰火山岩位于华北克拉通北缘，其空间位置大致对应于地幔过渡带中滞留太平洋板片西缘的地表投影（图1）。该区广泛分布的新生代板内玄武岩，为检验不同重Fe同位素成因假说、识别再循环板块物质及地幔源区岩性提供了理想的研究对象。
图1 赤峰火山岩区的位置及采样分布图
为厘清赤峰玄武岩重Fe同位素组成的成因，“幔游”课题组联合浙江大学、同济大学、南京大学和瑞典乌普萨拉大学的研究人员，对赤峰玄武岩开展了系统的全岩主量、微量元素和Sr–Nd–Pb–Hf–Fe同位素研究，并结合地幔熔融模拟和地球化学混合计算，定量评估了不同源区岩性派生熔体的相对贡献。研究结果表明，经橄榄石分离结晶校正后，赤峰玄武岩的δ57Fe值为+0.08‰～+0.30‰，整体表现出较正常地幔偏重的Fe同位素组成。在系统评估并排除岩浆期后蚀变、地壳混染、分离结晶、部分熔融以及地幔氧化还原状态等因素的影响之后，我们认为其Fe同位素主要记录了地幔源区组成的变化。综合Fe同位素、微量元素比值和放射成因同位素组成之间的协变关系，识别出两个不同的端元组分（图2和图3）。其中，重Fe同位素端元具有较低的SiO2含量，较高的Nb/Zr、Ce/Pb和Gd/Yb比值，以及相对较高的143Nd/144Nd和206Pb/204Pb比值，指示其与含石榴子石的榴辉岩/辉石岩组分有关。其印度洋型Pb同位素特征以及向俯冲沉积物端元延伸的变化趋势进一步表明，该重Fe同位素端元可能代表含俯冲沉积物的再循环太平洋洋壳组分。相比之下，轻Fe同位素端元具有接近正常地幔的δ57Fe值，同时表现出相对富集的Sr–Nd–Hf同位素和较低的Pb同位素特征，该端元更接近经历多期熔体交代的大陆岩石圈地幔橄榄岩。
图2 赤峰玄武岩的δ57Fe与SiO2、Nb/Zr、Ce/Pb、Gd/Yb的协变关系
图3 赤峰玄武岩的δ57Fe与143Nd/144Nd和206Pb/204Pb的协变关系
为定量限定两类端元组分对玄武质岩浆的贡献，研究团队采用Melt-PX热力学熔融模型，并结合马尔可夫链蒙特卡洛反演，通过拟合样品的稀土元素配分模式，计算不同样品中橄榄岩和辉石岩派生熔体的相对比例。模拟结果较好地重现了样品的稀土元素配分特征，并能够预测其Fe同位素组成（图4）。并且赤峰玄武岩的δ57Fe测量值与模型计算获得的辉石岩派生熔体比例呈显著正相关（图5）：随着辉石岩派生熔体贡献的增加，玄武岩的Fe同位素组成逐渐变重，表明不同样品中辉石岩派生熔体贡献比例的变化，是控制其Fe同位素不均一性的主要因素。
图4 赤峰玄武岩地幔熔融模拟结果
图5 δ57Fe与辉石岩派生熔体比例的关系
相关成果以“Tracing Continental Basalt Sources and Mantle Processes Using Fe Stable Isotopes”为题，发表在国际地球科学期刊《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》上。“幔游”课题组博士研究生成倚山为论文第一作者，刘建强副教授为通讯作者，课题组陈立辉教授、曾罡教授、俞恂副教授、王小均副教授、何朝阳、赵键，以及瑞典乌普萨拉大学的Frances M. Deegan和Valentin R. Troll教授，浙江大学的张宏福院士参与了该研究。
该工作得到国家自然科学基金项目（42130310）、瑞典研究理事会项目（2022-04569和2024-05368）以及欧洲研究理事会项目（2023-SyG 101118491）的资助和支持。
论文信息：
Cheng, Y.-S., Liu, J.-Q.*, Chen, L.-H., Yu, X., Zeng, G., Wang, X.-J., He, Z.-Y., Zhao, J., Deegan, F. M., Troll, V. R., and Zhang, H.-F. (2026). Tracing Continental Basalt Sources and Mantle Processes Using Fe Stable Isotopes. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 27, e2025GC012828.
文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GC012828。