由板片俯冲与火山作用共同驱动的深部碳循环，对地球数百万至数亿年时间尺度上的长期气候稳定性和宜居性发挥着至关重要的作用。俯冲输入的碳主要以碳酸盐矿物的形式赋存于沉积物和蚀变洋壳中，但现有模型对俯冲碳酸盐在地幔中的命运仍存在显著分歧：一些模型认为，碳酸盐中的碳在俯冲带浅部几乎完全通过脱挥发分作用释放，并经弧岩浆作用等过程返回大气；另一些模型则认为，大量碳酸盐能够在浅部俯冲过程中保存下来，并随板片继续向深部地幔运移。然而，如何准确识别深部地幔中的再循环地表碳酸盐及定量评估其对地幔碳库的贡献仍是一个难题。

近十年来，镁（Mg）同位素作为示踪深部碳循环的新兴工具得到了快速发展。碳酸盐沉积物通常具有显著轻于地幔的 Mg 同位素组成（δ²⁶Mg），其特征性的轻 Mg 同位素信号能够在俯冲过程中得到保存，并进一步传递至含有再循环碳酸盐组分的地幔源区和幔源岩浆中。基于这一原理，在少数EM1型洋岛玄武岩（OIB）和超深金刚石包裹体中发现的异常低δ²⁶Mg值，被视为下地幔存在再循环碳酸盐的重要证据。尽管如此，OIB的地幔柱源区具有显著变化的放射性成因同位素组成，记录了不同类型岩石圈物质再循环到下地幔的过程，这些再循环组分是否普遍携带碳酸盐的轻 Mg 同位素信号，以及该信号在不同地幔端元中的分布特征，仍缺乏系统约束。

针对上述科学问题和研究空白，由中国地质大学（北京）王泽洲教授、华盛顿大学滕方振教授、加州大学圣巴巴拉分校 Matthew Jackson 教授、巴黎地球物理研究所 Catherine Chauvel 教授和挪威学者 Cédric Hamelin 组成的联合研究团队，对产自全球不同地幔柱热点和洋中脊的152件玄武岩样品开展了系统的高精度Mg同位素研究。这些样品的放射性成因同位素组成几乎覆盖了大洋地幔的全部变化范围，并包括了主要地幔端元（DMM、HIMU、EM1、EM2、高³He/⁴He地幔）中同位素组成最为极端的代表性样品。取得的主要观察和认识如下：

（1）OIB和洋中脊玄武岩（MORB）的δ²⁶Mg变化为-0.45‰ ～ -0.17‰，超出了硅酸盐地球（BSE）的δ²⁶Mg范围（？0.25 ± 0.04‰），且在HIMU型、EM1型和EM2型OIB及MORB中均观察到低于BSE值的δ²⁶Mg。基于模拟计算的系统评估表明，低温蚀变、分离结晶、部分熔融等过程均不足以解释样品中绝大多数低δ²⁶Mg值，其δ²⁶Mg变化主要反映了地幔源同位素组成的不均一性。

（2）具有亏损地幔特征、高³He/⁴He的地幔柱熔体的 δ²⁶Mg值与基于橄榄岩数据估算的BSE值一致，表明下地幔主体具有均一的 Mg 同位素组成，且与上地幔相近。相比之下，低于BSE值的δ²⁶Mg普遍存在于具有显著再循环地壳信号的 HIMU、EM1 和 EM2 型 OIB 样品；δ²⁶Mg总体随 “再循环地壳”指数（D^Sr-Nd-Pb）升高而降低；低δ²⁶Mg样品也普遍具有更高的碱指数，指示其属于地幔低比例部分熔融产物。上述系统关系表明，地幔源区中含碳酸盐组分的易熔再循环地壳物质优先熔融，是导致许多碱性OIB呈现异常轻 Mg 同位素组成的主要原因。

（3）与远离地幔柱 MORB 相对均一的 Mg 同位素组成不同，在多个受地幔柱影响的洋中脊区段中，均发现了δ²⁶Mg低于 BSE 值的 MORB 样品。这些样品通常具有较高的碱指数和富集地幔特征的放射性成因同位素组成，表明其轻 Mg 同位素特征可能与含碳酸盐组分的地幔柱物质加入有关。此观察进一步证实，再循环碳酸盐的轻 Mg 同位素信号并非局限于个别地幔柱系统，而是广泛存在于不同地区 OIB 和受地幔柱影响的 MORB 所采样的地幔柱组分中。

基于上述观测结果，研究团队借助蒙特卡洛模拟定量估算了再循环碳酸盐对碱性OIB熔体Mg同位素组成的贡献，模拟结果显示再循环碳酸盐的贡献占比约为 2%–3.6%；进一步结合形成碱性OIB所需的平均地幔部分熔融程度进行估算，下地幔源区中再循环碳的含量可高达 130–230 ppm，暗示再循环碳是下地幔碳库的重要组成部分。同时，本研究也揭示携带碳酸盐组分的再循环地壳物质可在深部地幔中长期保存，这类物质固相线温度偏低，尽管其在地幔总体积中的占比较低，仍可优先发生部分熔融，从而对地幔柱岩浆的同位素特征与碳含量产生显著影响。

图1：本研究及前人研究中地幔柱热点玄武岩和洋中脊玄武岩样品的全球分布图

图2：Mg同位素组成与再循环地壳指数相关性图解。指数值越高，反映再循环地壳物质对熔体成分贡献越高

图3: Mg同位素组成与碱指数的相关性。指数值越高，反映形成熔体的地幔源区部分熔融程度越低

图4: 再循环碳酸盐组分对熔体 Mg 同位素组成贡献的定量模拟         

上述研究受国家自然科学基金（42521005，42473019）和中央高校基本科研业务费（590424004，590125049）等项目资助，相关成果发表在《Science Advances》上，论文第一作者和通讯作者为王泽洲教授。论文信息：Wang, Z.-Z.*, Teng, F.-Z., Jackson, M. G., Chauvel, C., & Hamelin, C. (2026). Surficial carbonates in mantle plume sources revealed by magnesium isotopes. Science Advances, 12, eaee9247.

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aee9247