沉积碳酸盐与地幔之间存在显著的Mg、Zn同位素差异（沉积碳酸盐δ²⁶Mg约为-4‰～-2‰、δ⁶⁶Zn约为+0.43‰～+0.94‰；地幔δ²⁶Mg约为-0.25‰、δ⁶⁶Zn约为+0.19‰）。因而，与再循环富Mg碳酸盐有关的幔源岩浆常表现出“轻δ²⁶Mg、重δ⁶⁶Zn”的耦合信号，这一信号在中国东部、塞尔维亚东部、缅甸中部和俄罗斯远东等与活动俯冲体系有关的板内玄武岩中已被广泛报道，并被认为记录了地质历史时期相对年轻（<约200 Ma）的富菱镁矿俯冲碳酸盐的深部再循环。然而，当相关碳酸盐是古老（早已俯冲并长期保存于深部地幔）的再循环物质时，这种Mg-Zn同位素耦合信号是否依然存在，此前并不清楚。

针对这一问题，我校同位素地球化学实验室杨思怡博士研究生在何永胜教授（通讯作者）指导下，与澳大利亚莫纳什大学Oliver Nebel教授、墨尔本大学Jon Woodhead教授及课题组研究人员合作，选择位于南太平洋库克群岛的Mangaia洋岛玄武岩开展研究。Mangaia玄武岩是迄今已知最极端的HIMU型洋岛玄武岩（²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = 21.5～21.9），其熔体包裹体异常高的CO₂含量、堪比金刚石中高镁碳酸岩熔体的微量元素特征、高Ca橄榄石斑晶以及硫化物包裹体中的非质量相关硫同位素异常等证据，共同指示其源区受古老（>2.32 Ga，早于大氧化事件）富CO₂或碳酸岩熔体的交代。

研究团队对17件玄武岩样品开展了高精度Mg、Zn同位素分析，并利用0.4 M盐酸淋洗实验甄别后期蚀变效应。结果显示，后期碳酸盐化可使全岩δ²⁶Mg明显变轻（低至-0.76‰），但对δ⁶⁶Zn影响甚微（淋洗前后差值<0.04‰）。剔除蚀变与分异效应最强的2件样品后，Mangaia原生岩浆的δ²⁶Mg为-0.241±0.018‰（2SE，N=15），与亏损上地幔和洋中脊玄武岩一致；而δ⁶⁶Zn为+0.35±0.01‰（2SE，N=15），显著高于洋中脊玄武岩（+0.28±0.05‰，2SD）。这表明Mangaia HIMU源区具有“类地幔”的Mg同位素组成与偏重的Zn同位素组成，即Mg与Zn同位素发生了“解耦”（图1）。

橄榄石斑晶的低Ni（多<2000 ppm）、高Mn/Fe（100Mn/Fe = 1.5～1.7）特征表明其源区仍以橄榄岩为主，地壳组分贡献必定有限（<10%）。二元混合与熔融模拟显示：不含碳酸盐或含方解石、白云石的俯冲洋壳熔体均不能同时解释Mangaia玄武岩的Mg、Zn同位素组成；唯有俯冲洋壳中含5%～10%的菱镁矿时，模拟结果才与观测值吻合。其机制在于：俯冲洋壳硅酸盐和橄榄岩自身含有大量Mg，把菱镁矿带来的轻Mg同位素信号“稀释”了；而菱镁矿富Zn（约449 μg/g），在最终交代源区中仍能有效保留重Zn信号。因此，Mangaia的HIMU源区应为受少量含菱镁矿洋壳熔体（<10%）交代的橄榄岩源区，该储库在深部地幔中保存了数十亿年，最终随地幔柱喷发至地表。

与之形成鲜明对比的是，来自年轻俯冲带（“大地幔楔”）的碱性玄武岩具有“轻Mg、重Zn”的耦合信号。模拟表明，要复现其端元组成，需要含碳酸盐洋壳的直接熔融、含菱镁矿超过10%的洋壳熔体与地幔熔体的混合，或碳酸盐熔体的连续交代；碳酸盐熔体也可能通过与地幔橄榄岩直接反应，最终形成轻Mg、重Zn的碱性玄武岩。这些可能性都指向地幔源区被高通量的俯冲碳酸盐所交代。研究认为，二者之间“解耦”与“耦合”的差异，主要反映了古老俯冲带（热俯冲体系）在岛弧体系脱碳效率较高，发生碳酸盐深俯冲的通量较低，而年轻俯冲带（现代冷俯冲体系）在岛弧体系脱碳效率较低，发生碳酸盐深俯冲的通量较高（图2）。

该研究表明，Mg与Zn同位素的联合示踪可以区分“古老、低通量碳酸盐交代”与“年轻、高通量碳酸盐再循环”两类深部碳循环体制，为利用板内玄武岩重建地质历史时期深部碳通量提供了新途径。

图1 与深部碳循环有关的三类岩浆的Mg-Zn同位素组成趋势。趋势1为Mangaia HIMU玄武岩，表现为“Mg同位素不轻、Zn同位素重”的解耦；趋势2为中国东部与年轻俯冲碳酸盐有关的碱性玄武岩，表现为“轻Mg、重Zn”的耦合信号；趋势3为地中海周缘钾质火山岩，表现为“轻Mg、Zn同位素正常”

图2 两类深部碳循环方式的示意图。(a) Mangaia所代表的古老、低通量碳酸盐交代：含菱镁矿的蚀变洋壳在深部发生低程度熔融，其熔体以<10%的比例交代橄榄岩，形成HIMU源区，并经地幔柱带至地表；(b) 中国东部等年轻俯冲带所代表的高通量碳酸盐再循环：大量镁质碳酸盐随板片深俯冲，在过渡带深度或随上涌岩浆上升过程中熔融，产生碳酸盐熔体或富碳酸盐硅酸盐熔体，连续交代地幔或直接上升喷发

该成果以“Stable Mg-Zn isotope compositions in Mangaia HIMU lavas as tracers for ancient recycled carbonate”为题发表于国际地球化学权威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。研究工作得到国家重点研发计划（2023YFF0804100）、国家自然科学基金（42122019、42288201）、中央高校基本科研业务费专项资金（2652023001）和111引智计划（BP0719021）等资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.06.039