近年来，对幔源火成岩的大量锌（Zn）同位素研究发现其Zn同位素组成具有显著变化，δ66Zn值的变化范围超过0.3‰。即使在未经历强烈演化的高MgO （例如>8wt.%）样品中，这种显著的Zn同位素组成变化依然存在。当前解释这一现象的主流观点是Zn同位素变化主要受控于地幔源区的组成差异，然而也有学者基于Zn同位素与部分熔融程度指标的相关性提出Zn同位素变化受控于地幔熔融程度。洋岛玄武岩（OIB）由起源于深部地幔的地幔柱在浅部地幔经历较低程度部分熔融产生，其放射成因同位素组成变化很大，指示玄武岩的源区存在显著不均一性(如Hofmann, 1997)。因此，系统研究OIB的Zn同位素组成有助于进一步评估幔源岩浆Zn同位素组成变化的主要控制因素。本研究报道了来自Pitcairn和Tutuila (Samoa)岛的OIB样品的Zn同位素组成，同时收集了全球多个洋岛已发表的Zn同位素数据（图1）。结果表明，全球OIB的Zn同位素组成高度不均一，δ66Zn值的变化可达0.22‰。基于对这些OIB样品的主微量元素、放射成因同位素以及多种金属稳定同位素（Ca、Fe、Mg）数据进行综合梳理，本研究发现OIB锌同位素变化的主控因素是地幔源区不均一性而非源区的不同程度部分熔融。
图1. OIB样品的（a）锌同位素和（b）铅同位素变化范围
为尽量减少岩浆演化过程对OIB样品Zn同位素组成的影响，本研究首先排除了明显经历过单斜辉石和钛铁氧化物分离的样品（图2a）。剩余的样品仍然具有显著的Zn同位素组成变化，而且在MgO含量相同的情况下不同样品的Zn同位素组成差异明显（图2a），表明这些OIB样品的Zn同位素变化不是由岩浆演化过程引起。进一步对具有不同矿物组合的地幔源岩进行了部分熔融定量模拟，结果表明OIB的Zn同位素组成变化难以由单一源岩经历不同程度的部分熔融产生。此外，本研究探讨了不同OIB的Zn同位素组成与其下伏岩石圈厚度之间的关系，发现二者并不存在相关性（图2b）：不同岩石圈厚度背景下形成的OIB可具有相同的Zn同位素组成，而岩石圈厚度相近区域产出的OIB可表现出显著的Zn同位素差异。这些观察与岩石圈厚度控制玄武岩同位素组成变化的模型明显不符：后者认为岩石圈厚度可直接控制源区熔融程度或促使岩浆在上升过程中与岩石圈地幔发生物质交换，进而造就岩浆的同位素变化。岩石圈厚度越大，部分熔融程度越小，由部分熔融过程或熔体-橄榄岩反应过程产生的同位素分馏就越大。这种预期的熔体同位素组成随岩石圈厚度的变化关系，并没有得到OIB的Zn同位素变化的支持。因此，OIB的Zn同位素组成变化更可能反映了其源区组成的不均一性，这与OIB广泛变化的放射成因同位素组成吻合。
图2. (a) OIB的Zn同位素组成与MgO含量相关图；(b) 不同大洋火山下岩石圈厚度和对应火山岩的Zn同位素组成变化关系
对于未经历单斜辉石和钛铁氧化物分离的OIB样品，其CaO/Al2O3和Zn/Fe比值常被用于制约地幔源区性质。因此，本研究结合OIB样品的Zn同位素与CaO/Al2O3和Zn/Fe比值，将样品分为三组（图3），以进一步探讨其Zn同位素变化的原因。第1组来自Iceland、Reunion和Kilauea Iki等地，这些OIB的CaO/Al2O3、Zn/Fe比值以及Zn、Fe、Ca同位素组成均与MORB类似，与橄榄岩部分熔融产生的熔体特征最吻合。第2组来自Madeira、Louisville、Crozet和Samoa，这些OIB具有与MORB相似的CaO/Al2O3，但相对于第1组样品和MORB具有更高的Zn/Fe比值，部分样品的Zn、Fe同位素组成也略高于MORB，指示其源区可能存在少量辉石岩组分。第3组来自Pitcairn、Koloa (Hawaii)、St. Helena和Cook-Austral，这些OIB的δ66Zn值显著高于MORB和其他OIB。其中Cook-Austral和St. Helena的样品具有比MORB显著偏高的CaO/Al2O3比值，与MORB相似的Zn/Fe比值以及Fe、Ca同位素特征，支持其源区为碳酸盐化橄榄岩。Koloa的样品具有比MORB显著偏高的CaO/Al2O3和Zn/Fe比值，表明其源区可能存在碳酸盐化辉石岩。与MORB相比，Pitcairn样品具有显著偏高的Zn/Fe比值和Fe同位素组成，以及偏轻的Ca同位素组成，表明其源区存在榴辉岩组分。此外，Pitcairn样品比MORB明显偏低的δ26Mg和偏高的δ66Zn值指示再循环碳酸盐组分的贡献。上述讨论整合了OIB样品的多种元素和同位素指标，进一步表明OIB的Zn同位素变化反映了地幔源区的组成差异。
综上所述，全球OIB的Zn同位素组成变化主要受控于地幔源区组成不均一性，而非地幔不同程度的部分熔融。玄武岩地幔源区中的再循环地壳物质，尤其是再循环蚀变洋壳和再循环碳酸盐组分，能够不同程度地降低地幔源区的熔融温度，在较大的熔融压力下（对应更大的熔融深度）即可发生熔融（如Dasgupta et al., 2007），从而产生具有重的Zn同位素特征的熔体。需要强调的是，组成不均一的上涌地幔物质在不同深度的部分熔融行为（如Dasgupta et al., 2007; Stracke and Bourdon, 2009），不能等同于单一地幔源岩在不同温压条件下发生的部分熔融。由不均一地幔物质部分熔融所造就的岩浆地球化学组成变化，例如同位素与部分熔融程度指标（La/Yb, La/Sm, Zr/Nb, Nb含量等）之间的相关性，也不能直接归因于地幔不同程度的部分熔融，其根本控制因素仍然是源区组成不均一性。因此，在将新兴同位素体系用于探讨幔源岩浆成因和地幔物质组成的研究中，不能忽视元素和放射成因同位素证据以及实验岩石学观察，需要综合多种指标来深入探讨同位素变化的根本原因。
上述研究成果以综述形式发表于国际著名地学期刊《Earth-Science Reviews》。南京大学博士后张笑宇为论文第一兼通讯作者。共同作者包括西北大学的陈立辉教授，南京大学的曾罡教授，西北大学的王小均副教授，南京大学的李伟强教授，德国马普化学研究所的Albrecht W. Hofmann教授，以及日本海洋研究开发机构海洋地球动力学研究所的Takeshi Hanyu教授。本研究得到国家自然科学基金（项目编号：42130310、42373012）、江苏省卓越博士后人才资助计划（2025ZB716）以及中央高校基本科研业务费专项资金（2024300389）资助。
论文信息：Zhang X. Y., Chen L. H., Zeng G., Wang X. J., Hofmann A. W., Hanyu T., Li W. Q., 2026. Chemical and lithological heterogeneity of upwelling mantle plumes inducing Zn isotope variation in Ocean Island Basalts. Earth-Sci. Rev. 274, 105378. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012825225003393?via%3Dihub.
参考文献：
Dasgupta R., Hirschmann M. M., Smith N. D., 2007. Partial Melting Experiments of Peridotite + CO2 at 3 GPa and Genesis of Alkalic Ocean Island Basalts. J. Petrol. 48, 2093-2124.
Stracke A., Bourdon B., 2009. The importance of melt extraction for tracing mantle heterogeneity. Geochim. Cosmochim. Acta 73, 218-238.
Hofmann A. W. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism. Nature 1997, 385(6613), 219-229.
图3. OIB样品的地球化学组成变化以及不同地球化学指标之间的关系：(a)-(c)为δ66Zn、CaO/Al2O3和Zn/Fe比值的变化范围；(d) Zn/Fe与CaO/Al2O3比值相关图；(e) δ66Zn与CaO/Al2O3比值相关图；(f) δ66Zn与Zn/Fe比值相关图。