大洋板块俯冲可将洋壳和沉积物输送至深部地幔，从而深刻影响洋岛玄武岩（ocean island basalt，简称OIB）地幔源区的化学和岩性组成。过去数十年针对OIB的地球化学研究发现深部地幔在化学组成上具有高度不均一性，并揭示出EM1（Ⅰ型富集地幔）、EM2（Ⅱ型富集地幔）、HIMU（高U/Pb比地幔）和FOZO（Focus zone）等深部地幔化学储库。尽管目前我们已经充分了解了这些深部储库的地球化学属性，但对它们的岩石学属性仍然知之甚少。近年来，主量元素的稳定同位素体系（如Fe、Ca等）发展迅猛且表现出对地幔中不同矿物组合的敏感性，为我们深入揭示上述地幔化学储库的岩石学属性提供了可能。Ca是地幔的主要组成元素之一，其在典型的地幔岩（如二辉橄榄岩）中主要赋存于单斜辉石内。由于单斜辉石与玄武质熔体之间的Ca同位素（通常用δ44/40Ca表示）分馏较小，因而橄榄岩熔融过程中Ca同位素的分馏程度相对较小（通常∆44/40Camelt-source值约为−0.1‰，即熔体比源区的δ44/40Ca值偏轻约0.1‰）。对于由俯冲洋壳转变而来的榴辉岩而言，其Ca同位素比橄榄岩地幔偏轻（橄榄岩熔融产生玄武质洋壳时，轻的Ca同位素进入洋壳），且其中石榴子石和单斜辉石均是Ca的主要赋存矿物。由于石榴子石相对于熔体具有明显偏重的Ca同位素组成，榴辉岩部分熔融产生的熔体相对于橄榄岩地幔直接熔融产生的熔体应具有明显偏轻的Ca同位素组成。因此研究OIB的Ca同位素组成有望揭示上述地幔化学储库的岩石学属性。
基于上述科学设想，“幔游”课题组选取经典的端元OIB（指Sr、Nd、Pb等放射成因同位素组成与EM1、EM2、HIMU和FOZO这些地幔化学储库类似的OIB；图1A-B）进行了高精度的Ca稳定同位素分析。获得的Ca同位素数据显示：HIMU型和FOZO型OIB的Ca同位素组成类似（平均δ44/40Ca值分别为0.77 ± 0.09‰和0.78 ± 0.06‰）且与大洋中脊玄武岩（MORB）的Ca同位素组成接近（MORB的δ44/40Ca为0.84 ± 0.09‰）；EM1和EM2型OIB则具有比MORB明显偏轻的Ca同位素组成（δ44/40Ca变化范围分别为0.65–0.72‰和0.61–0.71‰）（图1C）。由于玄武质岩浆结晶分异过程中的Ca同位素分馏很小（δ44/40Ca的变化通常小于0.07‰）且在相同的MgO含量时EM1和EM2型OIB的Ca同位素组成仍然比HIMU和FOZO型OIB的明显偏轻（图1C），因此不同端元OIB的Ca同位素组成差别并非岩浆结晶分异过程引起。详细的定量计算表明，石榴子石橄榄岩的部分熔融可以很好地解释HIMU和FOZO型OIB的Ca同位素组成（图2），而EM1和EM2型OIB偏轻的Ca同位素组成难以由石榴子石橄榄岩部分熔融产生，轻的Ca同位素和高的Gd/Yb比值的耦合指示这些OIB的地幔源区有来自富石榴子石的榴辉岩组分的贡献（图2）。
图1：（A）OIB样品来源分布图；（B）OIB样品的Nd-Pb同位素特征；（C）OIB样品的δ44/40Cavs. MgO图
图2：OIB的δ44/40Ca值与Gd/Yb比值的相关图
本次研究的端元OIB样品的Ca与Fe同位素的负相关性（图3）可进一步证实上述基于定量计算得到的结论。橄榄岩熔融产生的熔体通常具有与MORB类似的Fe同位素组成，而由俯冲洋壳转变来的榴辉岩熔融产生的熔体则具有比MORB明显偏重的Fe同位素组成。HIMU和FOZO型OIB同时具有与MORB类似的Ca和Fe同位素组成，与石榴子石橄榄岩熔融产生的熔体吻合，而EM1和EM2型OIB同时具有轻的Ca和重的Fe同位素组成，指示其地幔源区存在榴辉岩组分的贡献。正是由于这些不同端元OIB的地幔源区岩性组成存在差异，它们的平均Ca、Fe同位素组成才构成了明显的负相关性（图3）。
上述研究结果表明Ca同位素能够有效识别玄武岩的地幔源区岩性（橄榄岩/榴辉岩），并有望成为联系地幔化学不均一性和岩性不均一性的新“纽带”。此外，由于产生上述端元OIB的地幔柱大多起源于太平洋板块之下的大型低剪切波速省（Large Low Shear Velocity Province, LLSVP）内部（图1A），这些端元OIB的地幔源区岩性不均一性也暗示了LLSVP内部组成的高度不均一性。
图3：端元OIB样品的Ca-Fe同位素相关图（δ57Fecorr指Fe同位素值已扣除分离结晶的影响，可代表原始岩浆的Fe同位素组成）
相关成果以“Calcium isotopic variability in hotspot lavas controlled by partialmelting and source lithological heterogeneity”为题发表在地球化学领域知名期刊《Chemical Geology》上。“幔游”课题组王小均副教授为论文第一和通讯作者，课题组陈立辉教授和周中彪、刘建强、曾罡等人参与了该研究。该工作得到国家自然科学基金项目（42130310和41973001）的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254123005582