海院科研动态（159）| GCA：钡（Ba）同位素研究揭示洋底水岩相互作用及蚀变洋壳俯冲再循环

研究背景

       板块俯冲作用不断将携带水、碳、硫及多种化学组分的海洋岩石圈带入地球深部，进而影响地幔化学组成、岩浆活动，以及地球的长期演化。板块俯冲引起的地表与深部圈层之间的物质循环规律，是国际地球科学研究的核心问题和难点之一。传统放射性同位素（如Sr、Nd、Pb等）在区分俯冲海洋沉积物和蚀变洋壳在地幔中循环上存在较大困难，也使得洋壳物质循环存在很大争议。钡（Ba）同位素因其在低温地表环境中具有显著分馏效应、不同来源具有独特“地球化学指纹”等优势，是示踪深部物质循环潜在的理想工具。然而，国际上对蚀变洋壳Ba同位素组成变化的认识仍不全面，导致俯冲洋壳是否进入深部地幔并广泛参与大洋岩浆活动，始终缺乏直接证据。

       针对这一关键科学问题，中山大学张国良教授团队主导开展了系统研究，发现太平洋蚀变洋壳中广泛存在轻Ba同位素端元，并证实其对玄武岩地幔源区组成有重要贡献，为认识板块俯冲再循环提供了新的地球化学约束。

研究结果

       该研究对来自太平洋板块、我国南海及卡罗琳板块等海区的多个火山岩样品（包括多个同一火山岩体“新鲜-蚀变样品对”）开展了高精度Ba同位素分析，系统识别出海底蚀变洋壳中广泛存在一个此前被忽视的轻Ba同位素端元（图1）。

图1 不同地质储库钡同位素组成

       通过电子探针与显微分析，研究团队直接观察到蚀变洋壳中存在大量微米级重晶石颗粒（图2）。研究发现：在海水低温蚀变过程中，洋壳内部（孔隙或次生脉体）可以沉淀大量细小的次生重晶石（BaSO4），以及其他含钡硫酸盐矿物。这些次生矿物不仅显著提高了全岩Ba含量，同时使Ba同位素组成明显变轻（δ138/134Ba值最低可达-0.34‰），为目前已知地球储库中最轻的Ba同位素值之一。结合Ba/Th、K/Th、Rb/Th等地球化学指标的分析（图3），证实了正是这些次生矿物的形成导致洋壳整体向轻Ba同位素方向演化。

图2 蚀变洋壳中广泛出现的微米级重晶石颗粒

图3 蚀变玄武岩δ138/134Ba值与其他化学指标的相关性分析

       该成果改变了传统认识，蚀变洋壳并非单一“重Ba端元”，而是具有显著变化范围，同时包含极轻与偏重Ba同位素特征的复杂地球化学储库。研究团队进一步系统评估了全球新鲜洋中脊玄武岩Ba同位素数据，并结合新测东太平洋海隆高镁玄武岩样品，提出亏损洋中脊地幔（DMM）的δ138/134Ba值应稳定在 +0.05‰ 至 +0.06‰之间。这一高精度基准值的建立，为识别地幔源区是否混入再循环物质提供了可靠参照，也为全球Ba同位素研究建立了可靠的参考值。
 

       研究显示，典型板内玄武岩普遍具有比亏损地幔更轻的Ba同位素组成，例如： 夏威夷海山链、波纳佩洋岛及海南岛等火山岩样品δ138/134Ba值最低可达 -0.10‰。由于缺少对Ba同位素端元的精确约束，这种轻Ba信号以往通常被解释为循环海洋沉积物加入所致。然而，该研究发现：多个样品同时具有低Ba/La和低87Sr/86Sr特征，与沉积物高放射性Sr组成并不一致，说明沉积物并非唯一来源。进一步模型计算表明，向亏损地幔中加入<3%的蚀变洋壳组分，可产生所观测到的Ba同位素变化（图4）。

图4 新鲜板内玄武岩δ138/134Ba与Ba/La及87Sr/86Sr的相关性分析

       其中，一类组分Ba含量正常但同位素偏重，另一类则为本研究新识别的Ba含量富集而同位素偏轻的端元。该结果表明，在深部地幔柱来源的玄武岩中，广泛存在再循环蚀变洋壳的贡献（图5）。研究也表明，洋壳低温蚀变过程中形成的重晶石等硫酸盐矿物，不仅改造了Ba元素赋存状态与同位素组成，还可能将硫酸根带入深部地幔，从而影响地幔氧逸度与硫循环。同时，由于Ba同位素能够有效区分沉积物、蚀变洋壳与原始地幔等不同来源组分，未来可广泛应用于弧玄武岩、大陆板内玄武岩以及古老地壳熔融产物研究，为认识地球深部物质组成与循环过程提供了新的有效工具。

图5 钡同位示踪俯冲板片组分在地表与深部圈层之间的循环过程简图

文章相关信息

       该成果发表在《地球化学与宇宙化学学报》（Geochimica et Cosmochimica Acta），海洋科学学院张国良教授为论文共同第一和唯一通讯作者。本研究受国家重点研发计划项目（2024YFF0807400）、国家科技重大专项（2025ZD1005003）、以及国家自然科学基金项目（42206051）资助。

论文信息：Junhua Yao, Guo-Liang Zhang (*通讯作者), Zhi-Hua Zhao, Fang Huang, 2026. Barium isotopes reveal widespread recycled oceanic crust in the deep mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta. 423：p 65-75.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.04.044