近日，南方科技大学地球与空间科学系副教授景志成团队联合中国地质大学（武汉）地球深部物质研究团队在全球洋岛玄武岩的成因机制研究领域取得重要进展，相关成果以“Deep evolution of carbonated magmas controls ocean island basalt chemistry”为题在国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上在线发表。

洋岛玄武岩（ocean island basalts, OIBs）是大洋板块内部热点型火山喷发所形成的玄武岩，起源于全球地幔对流导致的深部地幔热柱物质上涌，是我们认识深部地幔的窗口。洋岛玄武岩的化学组成和成因机制研究对于我们认识深部地幔的物理化学性质、深部物质演化和碳循环都具有重要意义，是深部地幔地球化学研究的焦点问题。全球洋岛玄武岩以碱性玄武岩为主，与洋中脊玄武岩（mid-ocean ridge basalts, MORBs）相比具有贫硅和富铁（即低SiO₂/FeO^T比值）两个主要化学特征。多年来人们对碱性OIBs成因机制进行了大量研究，但是现有模型通常偏重于考虑地幔源区物质成分及其熔融过程的影响，尚无法同时解释碱性OIBs低SiO₂含量和低SiO₂/FeO^T比值的特性（图1）。

研究团队聚焦地幔含碳原始岩浆的深部演化过程，提出原始岩浆在岩石圈底部所经历的高压结晶分异过程是造成碱性洋岛玄武岩贫硅富铁特征的主要原因。研究团队通过高温高压实验岩石学方法，利用大腔体多面砧压机和活塞圆筒型压机，分别在3 GPa与1 GPa压力条件下，模拟了碳酸盐化地幔橄榄岩部分熔融熔体在岩石圈底部的结晶分异过程以及分异熔体在上穿岩石圈时与地幔的反应过程。实验结果显示，碳酸盐化橄榄岩在3 GPa压力条件下（对应深度～90 km）部分熔融形成的含碳原始岩浆会首先在岩石圈底部聚集并发生高程度（大于50%）结晶分异，结晶出大量的单斜辉石和石榴子石，并导致岩浆成分向低硅、高铁（低SiO₂/FeO^T比值）的方向演化（图2）。岩浆中的二氧化碳组分会与钙、镁和铁离子结合，并通过浅部脱碳作用将阳离子保留在熔体中，从而导致了岩浆硅含量的急剧降低和铁含量的显著升高（图3）。这些分异后的碱性岩浆在随后的上升过程中会在浅部岩石圈地幔中与方辉橄榄岩中的斜方辉石发生反应，吸收斜方辉石并结晶橄榄石和单斜辉石，导致岩浆成分向高硅、低铁方向演化（图2），最终形成具有不同硅和铁含量的碱性洋岛玄武岩。

研究团队进一步通过MgO、SiO₂、Al₂O₃和FeO^T四种主量元素组分在深部结晶和反应过程中的演化路径建立了定量模型（图3），并计算得到了全球不同洋岛玄武岩形成过程中所经历的高压结晶分异程度、岩浆与岩石圈地幔的反应程度，以及不同洋岛原始岩浆的碳含量（图4）。这项研究发现全球不同洋岛地区的地幔潜在温度（mantle potential temperature）与所在洋岛对应的天然碱性OIBs样品硅含量之间存在正相关性，这意味着越低的地幔潜在温度可能导致越慢的岩浆运移过程，从而促使岩浆能够发生更加充分的高压结晶分异与熔岩反应过程，最终导致喷发的玄武岩具有更低的硅含量（图1和图4）。通过这项研究的模型，可以估算得到地球内部碳通过洋岛火山作用向外流出的通量约为20-170 Mt/yr（图4f），这意味着地球内部碳具有较高的净流出量或者有岩浆脱出的碳被储存在岩石圈中。

南科大地球与空间科学系景志成课题组高级研究学者杨君龙为该论文第一作者，景志成和中国地质大学（武汉）王超副研究员为论文通讯作者，中国地质大学（武汉）金振民院士为合作作者，南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、南科大高水平专项资金以及中国博士后科学基金的共同资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60619-2