地幔作為地球最大的地質(zhì)構(gòu)造單元，其物質(zhì)組成記錄了大量的地球演化信息，同時其動力學(xué)過程也顯著影響地球淺部圈層。俗話說，上天容易，入地難。現(xiàn)階段直接測量地幔的物質(zhì)組成信息和動力學(xué)過程存在巨大挑戰(zhàn)。而在洋底綿延數(shù)萬公里的洋中脊玄武巖作為全球最大規(guī)模的幔源巖漿，成為了地質(zhì)學(xué)家們的首選目標(biāo)，為了解地球深部物質(zhì)組成和深部動力學(xué)過程提供了大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而噴發(fā)的巖漿作為匯聚熔體，許多繼承自地幔源區(qū)和巖漿過程的地球化學(xué)信息會在洋殼匯聚過程中（巖漿儲運系統(tǒng)，magma plumbing system）被均一化，從而導(dǎo)致許多深部信息被抹除。因此，了解這些殼內(nèi)巖漿過程不僅僅對洋殼的形成與演化非常必要，同時也對如何使用洋中脊玄武巖來反演深部地幔的物質(zhì)組成和動力學(xué)至關(guān)重要。
相較于最終噴發(fā)的巖漿，下洋殼的堆晶巖則記錄了更為豐富的洋殼演化信息。這些堆晶一旦從熔體分離并堆積在下洋殼，它們的地球化學(xué)成分便實時記錄了對應(yīng)熔體的信息。特別地，相比親石元素，親銅元素在硫化物飽和的高溫巖漿過程中，其行為主要受控于硫化物。而硫化物作為副礦物，在堆晶巖石中被硅酸鹽礦物所包圍或者包裹，可以極大程度地與后續(xù)巖漿過程隔離。與此同時，硫化物的分離結(jié)晶可以造成硫化物Cu同位素的巨大變化。因此，下洋殼堆晶巖的Cu同位素組成可以更為簡單、高效地揭示洋中脊巖漿儲運系統(tǒng)。
為此，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點實驗室地幔地球化學(xué)學(xué)科組鄒宗琪博士、徐義剛院士聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）汪在聰教授以西南印度洋的下洋殼輝長巖堆晶和來自不同擴張速率的洋中脊玄武巖為研究對象，從Cu同位素的角度探究洋殼巖漿儲運系統(tǒng)，主要取得以下認(rèn)識：
（1）下洋殼（輝長巖）的Cu同位素組成極不均一 ( 65Cu = -1.14 ‰ to 0.87 ‰)，而來自全球不同構(gòu)造背景的洋中脊玄武巖則具有非常均一的Cu同位素組成 ( 65Cu = 0.08 0.08 ‰)。上、下洋殼之間顯著的Cu同位素差異，表明了巖漿儲運系統(tǒng)具有高效的均一化作用（圖1）。
（2）雖然洋中脊玄武巖經(jīng)歷了不同程度的硫化物分離結(jié)晶且硫化物富集輕的Cu同位素組成，但是洋中脊玄武巖的Cu同位素組成并沒有變重（圖2）。我們的模擬結(jié)果表明，洋殼巖漿房作為一個開放體系，多期次的初始巖漿的填充、熔體-堆晶反應(yīng)（消耗富集輕Cu同位素的硫化物）以及熔體混合等過程可以平衡硫化物分離導(dǎo)致的Cu同位素分餾，從而形成Cu同位素與平均地幔值一致的洋中脊玄武巖（圖2-4）。
（3）雖然部分熔融、熔體-巖石反應(yīng)和分離結(jié)晶等過程會造成Cu同位素的顯著變化，但是這些過程引起的Cu同位素變化可以被巖漿儲運系統(tǒng)高效均一化（圖3）。洋中脊玄武巖的Cu同位素組成可以代表地幔源區(qū)的Cu同位素平均值。結(jié)合高熔融程度成因的科馬提巖，我們得出硅酸鹽地球的Cu同位素組成為0.08 0.08 ‰。類似地，洋中脊玄武巖的不相容元素的同位素和不相容性相似元素的比值可以代表其地幔源區(qū)的平均值。
該研究已發(fā)表在國際地球科學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》上，本研究受南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州）人才團隊引進(jìn)重大專項（GML2022006）、自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目(42288201)以及國家自然科學(xué)基金青年基金項目（42203006)等基金的聯(lián)合資助。
論文信息：Zou, Zongqi (鄒宗琪), Wang, Zaicong* (汪在聰), Xu, Yi-Gang (徐義剛), Ciazela, Jakub, Wang, Xia (王霞), Foley, Stephen, Zhang, Wei-Qi (張維騏), Li, Wei (李偉)，Li, Ming (李明), Liu, Yongsheng (劉勇勝) (2024), Contrasting Cu isotopes in mid-ocean ridge basalts and lower oceanic crust: Insights into the oceanic crustal magma plumbing systems. Earth Planet. Sci. Lett. 627 118563. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118563.
圖1，（a-b）洋中脊玄武巖（MORBs）經(jīng)歷了不同程度的硫化物分離結(jié)晶。(c-d) 洋中脊玄武巖依然具有原始地幔特征的、均一的Cu同位素組成，顯著不同于下洋殼（輝長巖）極其不均一的Cu同位素組成。
圖2，（a）中高程度部分熔融過程產(chǎn)生的Cu同位素分餾極小。（b）MORBs經(jīng)歷不同的硫化物分離結(jié)晶，按照理論計算，其Cu同位素組成會逐漸變重，顯然與MORBs均一的Cu同位素組成不一致。（c-f）我們的模擬結(jié)果表明洋殼殼內(nèi)巖漿儲運系統(tǒng)的多期次的巖漿填充、地幔或者堆晶硫化物再溶解、巖漿噴發(fā)和分離結(jié)晶過程可以形成Cu同位素均一的MORBs。
圖3，地幔的Cu同位素不均一，以及巖漿遷移演化過程中產(chǎn)生的Cu同位素變化可以被洋殼殼內(nèi)巖漿儲運系統(tǒng)高效均一化。由于部分熔融、熔體-橄欖巖反應(yīng)可以造成橄欖巖巨大的Cu同位素變化。因此，在對硅酸鹽地球的Cu同位素組成進(jìn)行約束時，將橄欖巖包括在內(nèi)會導(dǎo)致估計值得范圍較大。因此，本研究使用MORBs和科馬提巖得Cu同位素數(shù)據(jù)對硅酸鹽地球的Cu同位素組成進(jìn)行估計，得出 65Cu BSE = 0.08 0.08 ‰。
圖4，洋殼殼內(nèi)巖漿儲運系統(tǒng)模式圖。
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