海院科研动态（155）| 研究揭示赤道西太平洋存在独特的超亏损地幔域

近日，国际地学期刊《Lithos》在线发表了我院海洋岩石地球化学与深部物质循环研究团队与国内外合作者关于赤道西太平洋地幔组成的研究成果。该研究基于西太平洋卡洛琳板块东部穆绍海脊玄武岩的主微量元素及Sr-Nd-Pb-Hf 同位素分析，结合邻近边缘海盆玄武岩对比与地球化学模拟，识别出赤道西太平洋存在一个独特的“超亏损、Dupal型”地幔域。研究表明，该地幔域不同于传统认识中的太平洋型和印度洋型 MORB 地幔，可能来源于古老深部熔融形成的石榴子石稳定域亏损残余，并与西太平洋深部地幔柱活动密切相关。

研究背景

       地幔化学不均一性是理解板块俯冲、地幔对流和深部物质循环的重要窗口。长期以来，科学界通常认为太平洋上地幔总体较为均一，而西太平洋边缘海盆中出现的Dupal 型同位素特征，可能源于印度洋地幔物质向东流入。然而，这种异常地幔到底是来自印度洋地幔输入，还是西太平洋本身固有的深部地幔组成，一直存在争议。卡洛琳板块位于太平洋板块与西菲律宾海盆之间，其形成和演化历史使其成为检验西太平洋地幔性质的关键区域（图1）。本研究聚焦卡洛琳板块穆绍海脊玄武岩，为约束赤道西太平洋过渡地幔的性质和分布提供了重要证据。

图1 西太平洋边缘海盆地形图以及卡洛琳板块样品分布

研究结果

       我院海洋岩石地球化学与深部物质循环研究团队对卡洛琳板块穆绍海脊新获得的玄武岩样品开展了系统主微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf 同位素分析（图2）。结果显示，这些玄武岩总体具有MORB 型地球化学特征，但其同位素组成并不符合典型太平洋 MORB 地幔：它们具有与太平洋 MORB 相近的 εNd，却显示更高的 εHf 和更高的 208Pb*/206Pb*，同时大多表现出异常亏损的微量元素组成以及较高的 Lu/Hf。这些地球化学组成表明其源区并非普通亏损地幔，而是经历了长期演化、具有高 Lu/Hf 和εHf的超亏损地幔源区（图3）。

图2 卡洛琳板块穆绍海脊玄武岩微量元素组成

为约束这一异常亏损地幔源区的成因，研究团队进一步开展了微量元素和同位素模拟。结果表明，普通亏损MORB 地幔可以解释部分正常 MORB 型样品，却无法再现亏损MORB样品所表现出的强不相容元素亏损特征。只有经历过早期熔融抽取的超亏损地幔源区，尤其是含石榴子石稳定域熔融残余的源区，才能较好解释这些玄武岩的组成特征（图3）。模拟显示，该类超亏损地幔可能形成于古老深部熔融事件，其亏损时代可能至少可追溯至约0.6–0.8 Ga 之前。

图3 卡洛琳板块穆绍海脊玄武岩同位素组成

进一步与西菲律宾海盆、卡洛琳海盆等邻近海盆的MORB型样品对比发现，这种独特的超亏损的不相容元素组成、高Lu/Hf、εHf和Dupal 型 Pb 同位素特征并非穆绍地区局部现象，而是在赤道西太平洋多个边缘海盆（如马努斯海盆、西菲律宾海盆等）中具有一致性，指示该区域存在一个空间上可识别的超亏损、Dupal 型地幔域。该地幔域具有高的 εHf 和 Δ8/4，明显区别于传统太平洋 MORB 地幔和印度洋 MORB 地幔，表明太平洋上地幔并非以往认为的那样均一，而是保存了重要的区域性地球化学不均一性（图4a）。

结合板块重建与深部地幔结构，研究进一步指出，赤道西太平洋超亏损地幔域的空间分布与卡洛琳热点、马努斯热点以及西太平洋大低剪切波速省（LLSVP）在深部的展布具有对应关系（图4b）。这表明，该地幔域可能与深部地幔柱上涌及下地幔长期保存的古老亏损组分有关。该认识不仅挑战了“太平洋上地幔高度均一”的传统观点，也为理解西太平洋地幔域边界、深部地幔柱与上地幔物质交换提供了新的地球化学约束。

图4 赤道西太平洋地幔域独特的同位素组成和分布

研究意义

该研究揭示，赤道西太平洋不仅发育有不同于太平洋型和印度洋型MORB 地幔的超亏损地幔域，而且它可能记录了深部地幔长期保存的古老熔融残余信息。研究成果为认识西太平洋边缘海盆的地幔来源、厘定西太平洋深部物质循环过程以及理解全球尺度地幔不均一性的形成机制提供了新的证据。

文章相关信息

       研究成果已在线发表于期刊《Lithos》，第一作者徐丰是张国良教授指导的博士研究生（中国科学院海洋研究所），合作者包括意大利帕维亚大学Alessio Sanfilippo教授，中山大学张国良教授为论文的唯一通讯作者。

论文信息：Xu F., Zhang G.-L.*, Sanfilippo A., Liu C.H., 2026. A distinct ultra-depleted mantle domain under the equatorial western Pacific. Lithos, 528–529, 108482.