非传统稳定同位素是揭示地幔组成不均一性、壳幔物质循环以及俯冲带过程的重要地球化学示踪剂。海洋地质全国重点实验室海洋岩石圈演化团队及其合作者，系统研究了大洋中脊和汇聚板块边缘的典型样品，揭示了地幔中氯、钾、镁、锌等同位素的空间变化及其对深部过程的响应。相关成果发表于Geology、Geochimica et Cosmochimica Acta、Geological Society of America Bulletin等国际期刊。
（1）西南印度洋洋中脊地幔氯同位素
氯同位素是追踪地幔挥发分循环和流体—岩石相互作用的关键指标。团队首次对西南印度洋中脊IODP U1473A孔辉长岩中磷灰石开展原位氯同位素分析（Xu et al., 2025, Geology），确定原始地幔δ³⁷Cl值为–0.51 ± 0.04‰，与全球MORB平均值一致。研究发现，δ³⁷Cl与Cl含量呈现系统的负相关，反映了高温熔体—岩石相互作用、卤水同化或幔源的不均一性。与强烈蚀变的735B孔样品相比，U1473A样品未受低温海水蚀变影响，保留了更原始的幔源信号。研究确认氯同位素可有效示踪地壳物质再循环与地幔内在不均一性，为深部挥发分循环过程提供了新的地球化学指标。
图1西南印度洋洋脊辉长岩中磷灰石氯元素面分布图（a）和氯同位素（b）组成
（2）汇聚板块边缘地幔镁–钾同位素
团队利用镁–钾同位素体系，结合Sr-Nd-Pb-Hf多同位素数据，系统分析了碰撞造山带边缘弧型与洋岛型玄武岩记录的深源俯冲物质再循环过程（Chen et al., 2025, GCA）。镁同位素结果表明，两类玄武岩均具有低于正常地幔的δ²⁶Mg值（–0.39‰至–0.36‰），指示其地幔源区存在再循环碳酸盐组分的加入。钾同位素进一步揭示：弧型玄武岩样品δ⁴¹K接近原始地幔（–0.49‰至–0.35‰），反映了交代地幔楔中俯冲板片来源熔流体的相互作用和均一化过程；而洋岛型玄武岩样品δ⁴¹K显著偏低（–0.73‰至–0.54‰），证明轻钾组分来源于停滞在地幔过渡带的脱水板片残留体的直接熔融。研究提出，印度洋俯冲板片的拆离和过渡带内新特提斯残留板片所诱发的地幔上涌是导致后碰撞阶段深源物质差异化循环与地幔不均一性的关键机制。
图2（a-b）藏东南构造格架和垂直剖面的P波速度成像(Hou et al., 2024)；（c）藏东南弧型和洋岛型玄武岩成因反演深部地幔Mg-K同位素地球化学行为模式
（3）俯冲带锌同位素地球化学行为
锌同位素为理解俯冲带物质循环和变质过程提供了新的视角。团队对典型俯冲带高压变质岩开展了系统的全岩与矿物Zn同位素分析（Lu et al., 2025, GSA Bull.），发现其δ⁶⁶Zn值（0.18‰–0.36‰）高于典型地幔值，与上地壳组成相当。全岩δ⁶⁶Zn值与主微量元素及流体活动的地球化学指标无显著相关性，说明主要继承自原岩的不均一性，而非后期流体改造或变质分异的结果。矿物之间存在显著的Zn同位素分馏（如绿辉石与石榴石Δ⁶⁶ZnOmp–Grt ≈ 0.25‰–0.27‰），质量平衡计算表明矿物在俯冲—折返过程中达到了同位素平衡。该研究揭示了俯冲带Zn同位素对原岩组成的继承性特征，为理解陆壳物质深俯冲过程中的锌同位素地球化学行为提供了重要约束。
图3 榴辉岩全岩（a）和单矿物（b）的Zn同位素组成
该系列研究分别由我室博士生徐乃潇、副教授陈琼、博士生陆天熠为第一作者，程昊教授为通讯作者发表；合作单位包括爱丁堡大学、东京大学、香港大学、中科院地质与地球物理研究所和北京大学等。研究受国家自然科学基金重点项目资助。
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[文章1链接] Xu, N.X., Cheng, H., Bromiley, G.D., Dick, H.J.B., Zhang, L.M., 2025, Mantle chlorine isotope signature and melt–rock interaction revealed by apatite at the Southwest Indian Ridge. Geology. https://doi.org/10.1130/G53563.1
[文章2链接] Chen, Q., Cheng, H., Zhao, G.C., Zhou, M.F., Liu, P.P., Li, W.J., Sun, M., Mg–K isotopic compositions deciphering mantle heterogeneity beneath southeast Tibet. Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.10.010.
[文章3链接] Lu, T.-Y., Cheng, H., Takahashi, Y., Iizuka, T., Chen, Q., Gao, L., 2025. Bulk and inter-mineral zinc isotopic systematics of continental eclogites from the Dabie orogenic belt, central China. Geological Society of America Bulletin.https://doi.org/10.1130/B37987.1