地球深部的化学组成是地幔地球化学的核心研究内容，前人通过对洋岛玄武岩（如Pitcairn岛、Tristan-Gough群岛等）的研究识别出EM1型富集地幔端元，这些玄武岩以极低的206Pb/204Pb和143Nd/144Nd比值为特征，但由于地幔柱的整体熔融程度较高且大洋岩石圈厚度较薄，洋岛玄武岩的EM1组分特征在岩浆形成过程中容易被稀释，传统的地球化学手段难以识别，其成因始终存在争议。中国东北地区松辽盆地西北侧的新生代钾质玄武岩具有极端的放射性成因同位素组成特征（图1），被认为是EM1型洋岛玄武岩的大陆等同组分。并且大陆岩石圈厚度大，大陆玄武岩的地幔熔融程度较低，更有利于保留EM1富集端元组分的信息。钡（Ba）是大离子亲石元素，在地幔部分熔融过程中高度不相容。前人研究表明，Ba同位素在低温环境和流体作用下分馏显著，而在高温过程中分馏有限，可以作为示踪地壳物质俯冲再循环的新工具。

图1 本研究EM1型大陆钾质玄武岩分布及Nd-Pb同位素组成

       为了进一步对EM1富集端元组分的成因进行限定，我系陈立辉教授课题组对东北地区新生代钾质玄武岩进行了系统的Ba同位素研究。结果表明，EM1型大陆钾质玄武岩的δ138/134Ba（−0.1‰至0.08‰）明显低于亏损地幔值（DMM；δ138/134Ba=0.03‰至0.05‰）（图2），且其与K/U、Ba/Th、U/Pb、εNd、206Pb/204Pb存在明显相关性，呈现出两端元混合的趋势（图3）。其中，EM1型富集地幔端元具有较轻的Ba同位素，这一现象不是由于地壳混染、岩浆期后蚀变、分离结晶、部分熔融等过程导致（详见原文）。在排除了蚀变洋壳的可能性之后，研究团队认为轻Ba同位素主要反映了俯冲沉积物组分的贡献（图3）。结合主微量元素、其他同位素以及定量计算表明，上述独特的Ba同位素特征来源于再循环沉积物派生熔体与地幔橄榄岩的相互作用。上述研究表明，EM1型大陆玄武岩保留了源区再循环古老沉积物中Ba同位素特征，证实了Ba同位素具有示踪地壳物质再循环的潜力。

图2 中国东北地区EM1型大陆玄武岩的Ba同位素组成特征

图3 EM1型大陆玄武岩的 Ba同位素与(a) K/U、(b) Ba/Th、(c) U/Pb、(d) εNd、(e) 206Pb/204Pb相关图

      该成果发表在Nature Index检索期刊《Geophysical Research Letters》上。我系硕士生成倚山（目前为浙江大学博士生）为该论文第一作者，刘建强副教授为通讯作者。共同作者还包括西北大学的陈立辉、陈开运、赵键、王小均以及南京大学的曾罡、浙江大学的张宏福。该工作得到了国家自然科学基金委员会 (项目42130310、42322202、41802045)的资助。

论文信息：Cheng, Y.S., Liu, J.Q.*, Chen, L.H., Chen, K.Y., Zhao, J., Wang, X.J., Krmicek, L., Zeng, G., Zhang, H.F. 2025. Barium isotope fingerprint for recycled ancient sediment in the source of EM1-type continental basalts. Geophysical Research Letters. 52, e2024GL111960. https://doi.org/10.1029/2024GL111960 

文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024GL111960