太平洋和大西洋洋脊及近洋脊海山玄武岩熔体（玻璃）Hf同位素研究

One of the major advances in the solid Earth science over the past 40 years is the recognition of mantle heterogeneity through Sr-Nd-Pb isotopic studies of oceanic basalts. The nature and extent of such heterogeneity requires the presence of several isotopic endmebers as a result of plate tectonics and other yet unknown processes. The Hf isotopic compositions of ocean island basalts (OIB) has largely confirmed this earlier conclusion by showing the correlated Nd-Hf isotopic variation (or "coupling"). However, application of Hf isotope to mid-ocean ridge basalts (MORB) has proved puzzling, i.e., no Nd-Hf isotopic coupling exists on a "global" scale. A very recent study shows that MORB from individual ridges on "local" scales do show Nd-Hf isotopic coupling, having parallel trends with varying epsilon Hf at a given epsilon Nd. These observations provide new challenges on our understanding mantle dynamics in general and MORB petrogenesis in particular. In this research, we attempt to unravel the MORB Nd-Hf puzzle by Hf isotopic analysis of several well-characterzied MORB melt (glasses) suites from ocean ridges in the Pacific and Atlantic and near-ridge seamounts using the well-developed MC-ICPMS method. Results are of global significance. Importantly, carrying out the research of this kind on rarely available global seafloor samples will effectively bring Chinese scientists into the forefront of the international endeavour to understand how the Earth works.

固体地球科学40年来最主要进展之一是通过对大洋玄武岩Sr-Nd-Pb同位素研究认识到地幔物质的不均一性。不均一性特征和程度表明存在由板块构造或其它尚未知的过程产生的不同地幔端元。洋岛玄武岩（OIB）Hf同位素组成证实早期的结论，Hf-Nd同位素变化相关(或耦合)。然而，洋脊玄武岩（MORB）在全球尺度上不存在Hf-Nd同位素耦合关系。新近研究表明单个洋脊区域尺度上确实存在Hf-Nd同位素耦合，且每个阵列之间近于平行，给定Nd同位素值Hf同位素组成变化较大。这些观察对于我们理解地幔动力学和MORB成因提出新的挑战。本项目拟依托成熟的MC-ICPMS方法，对太平洋和大西洋洋脊及近洋脊海山MORB熔体（玻璃）进行全岩Hf同位素研究，揭示MORB Hf-Nd同位素之间关系。该结果具有全球性意义。重要的是，对于珍贵的全球洋底样品Hf同位素研究是国际前沿，有助于理解地球如何演化。

本项目通过对太平洋-大西洋洋脊及近洋脊海山玄武岩玻璃进行全岩 Hf 同位素和部分样品Sr-Nd-Pb同位素研究，在已有研究基础上，探讨MORB 成因，揭示 MORB Hf-Nd 同位素之间关系，理解地幔不均一性。取得如下认识：1）新获得的Hf同位素数据与Nd同位素之间有非常好的正相关关系，此外，Hf同位素与Sr-Nd同位素和主微量元素丰度和比值之间同样有良好的相关关系，反映两组分地幔熔融导致的混合，是地幔源区不均一性的结果；2）两组分地幔分离熔融模拟结果表明：富集组分可能是循环洋壳和/或被交代的大洋岩石圈地幔，这一结论有助于理解OIB和E-MORB富集组分来源，进而直观准确的认识地幔不均一性成因；3）最亏损的MORB样品仍然比亏损地幔端元更富集，因此，我们先前认为MORB能反映亏损MORB地幔组成的认识可能是错误的；4）太平洋-南极洲洋脊53-57°S地区Eltanin断层以南MORB在给定Sr-Nd同位素条件下，有更高的εHf 值，且相对于太平洋MORB定义的趋势线有更陡的斜率，过去认为相对均一的亏损MORB地幔本身也是不均一的。高εHf 组分指示亏损地幔源区有古老的大洋/大陆岩石圈地幔熔融残余的参与。Sr-Nd-Pb同位素很难识别这一亏损组分的存在，而Hf同位素具有独特优势；5）太平洋-大西洋洋脊及近洋脊海山玄武岩玻璃Hf-Nd同位素之间有良好的相关关系，并不存在全球尺度上的不相关性。结合全球已发表的太平洋，大西洋，印度洋MORB数据发现：全球尺度来讲，Hf-Nd同位素相关性较好，尤其是太平洋和南大西洋MORB。但在给定Nd同位素条件下，北大西洋MORB有最高的εHf 值和较大的Hf同位素变化范围，其次是印度洋MORB，而太平洋MORB具有最低的εHf 值。全球MORB Hf-Nd同位素关系与古老岩石圈地幔熔融残余的比例有关，即岩石圈地幔熔融残余组分在太平洋地幔域相对恒定，而在印度洋和大西洋（尤其是北大西洋）变化较大。