我院張軍波教授在Nature子刊《Nature Communications》發(fā)表合作研究文章，揭示地幔過(guò)渡帶中可能保存著古老的汞同位素異常

2025年11月28日，長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院張軍波教授、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所徐榮副研究員聯(lián)合國(guó)內(nèi)外合作者在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然—通訊》(Nature Communications)發(fā)表了題為《Ancient storage of anomalous mercury isotope signatures in the Earth’s transition zone》(地幔過(guò)渡帶中保存著古老的汞同位素異常)的學(xué)術(shù)論文，研究了東亞地區(qū)新生代板內(nèi) EM1 型玄武巖的汞同位素，揭示了地幔過(guò)渡帶可長(zhǎng)期保存獨(dú)特的汞同位素異常。

地幔過(guò)渡帶是上地幔和下地幔的分界，位于地表之下約 410至660 公里的深度，其獨(dú)特的礦物組成以及熱力學(xué)條件使其成為理解地球演化、板塊俯沖作用以及深部動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵區(qū)域。近年來(lái)，巖石學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、大地電磁學(xué)以及地球動(dòng)力學(xué)的綜合研究結(jié)果表明，板塊俯沖作用可以將沉積物連同揮發(fā)分一起帶入到地幔過(guò)渡帶中，從而形成類似富集地幔 1 (EM1)端元的潛在深部?jī)?chǔ)庫(kù)，并最終補(bǔ)給到板內(nèi)巖漿的地幔源區(qū)。然而，目前關(guān)于儲(chǔ)存在地幔過(guò)渡帶中的俯沖沉積物、揮發(fā)分與地幔端元之間的具體聯(lián)系仍不清楚，這限制了我們對(duì)包括揮發(fā)分在內(nèi)的俯沖物質(zhì)的深部地幔再循環(huán)過(guò)程以及地幔不均一性形成機(jī)制的理解。

針對(duì)上述科學(xué)問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)東北地區(qū)新生代 EM1 型板內(nèi)玄武巖開展了系統(tǒng)的汞同位素研究。汞是一種具有揮發(fā)性的金屬元素，其同位素體系同時(shí)具有質(zhì)量分餾（δ²⁰²Hg）和非質(zhì)量分餾（Δ¹⁹⁹Hg≠0、Δ²⁰¹Hg≠0）特征，可為物質(zhì)來(lái)源及其循環(huán)過(guò)程提供多維度約束。研究結(jié)果顯示，這些玄武巖普遍具有負(fù)的奇數(shù)Hg的非質(zhì)量分餾(Δ¹⁹⁹Hg<0和Δ²⁰¹Hg<0)，且其δ²⁰²Hg與多項(xiàng)指示地幔不均一性的地球化學(xué)指標(biāo)（如⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb、²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb、U/Pb比值）顯著相關(guān)，證實(shí)了富集地幔EM1端元中存在再循環(huán)古老陸源沉積物的貢獻(xiàn)。

綜合已有地球化學(xué)和地球物理學(xué)等多學(xué)科研究成果，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出，具有異常汞同位素組成的古老陸源沉積物可通過(guò)古俯沖作用被輸送并儲(chǔ)存在地幔過(guò)渡帶中，并在后期的含水地幔上涌或地幔柱上升過(guò)程中被重新捕獲，最終形成 EM1 型板內(nèi)玄武巖（圖1）。結(jié)合EM1端元所反映的古老地球化學(xué)特征，該研究進(jìn)一步指出，這種異常的汞同位素信號(hào)可在地幔過(guò)渡帶中長(zhǎng)期保存，時(shí)間尺度可能超過(guò)10億年，從而為深部地幔中長(zhǎng)期揮發(fā)分循環(huán)過(guò)程提供了重要記錄。

圖1. 深部地幔汞同位素循環(huán)以及形成EM1型板內(nèi)火山示意圖。

徐榮副研究員為該論文第一作者，徐榮副研究員和張軍波教授為該論文共同通訊作者。該項(xiàng)研究成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金委(42121003, 42173051, 42473062, 42403019)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

論文信息：

Title: Ancient storage of anomalous mercury isotope signatures in the Earth’s transition zone

Authors: Rong Xu (徐榮)*, Runsheng Yin (尹潤(rùn)生), William M. White, Michael Bizimis, Yue Cai (蔡悅), Jun-Bo Zhang (張軍波)*, Chunfei Chen (陳春飛), Zhendong Tian (田振東), Ting Ruan (阮婷), Yibing Li (李儀兵), Ganglan Zhang (張崗嵐), Liang Liu (劉亮), Zhongjie Bai (柏中杰), Meifu Zhou (周美夫) & Yongsheng Liu (劉勇勝)

Source: Nature Communications 16, 11714, Available online 28 November 2025

DOI: 10.1038/s41467-025-66917-z

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66917-z