镁（Mg）是地球上最丰富的元素之一，约占地球总质量的15%，且绝大部（>99.9%）赋存于地幔之中。近年来，镁同位素体系已发展成为示踪俯冲再循环物质、刻画地幔化学不均一性及约束行星演化过程的重要地球化学工具。鉴于镁在地幔中的主导地位及其同位素对低温蚀变与高温岩浆过程等多种地质作用的高度敏感性，限定地幔的镁同位素组成对于理解全球镁循环及硅酸盐地球的化学演化至关重要。然而，目前关于上地幔镁同位素组成的认识主要建立在对大陆岩石圈地幔橄榄岩捕虏体的研究之上。对于地球上地幔的另外两个关键储库，活跃俯冲带的地幔楔与作为地幔主体的大洋地幔，其研究程度仍十分有限。一方面，地幔楔作为俯冲带流体活动与壳幔物质交换的关键场所，其镁同位素组成特征迄今缺乏系统约束，且橄榄岩在蛇纹石化过程中的镁同位素行为仍存争议。另一方面，现有数据表明大洋地幔镁同位素组成相比地幔楔橄榄岩总体偏重且变化范围更大，然而产生大洋地幔这种镁同位素不均一性的机制尚不明确。而且目前大洋地幔镁同位素研究主要依赖缺乏深度约束的海底拖网样品及经历构造改造的蛇绿岩橄榄岩，而原位大洋地幔深部镁同位素组成及其垂向变化特征仍缺乏系统认识。针对上述问题，本研究以IODP 366航次获取的马里亚纳弧前地幔楔橄榄岩样品，以及IODP 399航次在亚特兰蒂斯地块大洋核杂岩（30°N大西洋洋中脊）钻取的全球最深大洋地幔钻孔（U1601C）岩芯为研究对象，系统开展高精度Mg（辅以Fe）同位素分析，结合岩相学与主量和微量元素地球化学特征，对不同构造背景下地幔橄榄岩的镁同位素组成及其过程响应机制进行了综合研究。

IODP 366航次样品全岩镁同位素变化范围为-0.29‰至-0.03‰。部分蛇纹岩/蛇纹石化橄榄岩样品的δ²⁶Mg值显著偏高，最高可达-0.03‰，这是因为样品在随泥火山剥露至地表后，又遭受了海底风化作用。相比之下，未风化的蛇纹石化橄榄岩具有均一的δ²⁶Mg值（δ²⁶Mg = -0.28 ± 0.01‰，2SD，n=3），代表了马里亚纳弧前地幔楔橄榄岩的原始镁同位素组成。然而，未风化的成熟蛇纹岩（即完全蛇纹石化）的镁同位素组成（δ²⁶Mg = -0.24 ± 0.05‰，2SD，n=16）略重于蛇纹石化橄榄岩，表明在地幔楔橄榄岩蛇纹石化的晚期阶段发生了镁同位素分馏。

IODP 399航次U1601C钻孔连续的垂向剖面则为揭示不同深度地质过程的同位素效应提供了关键约束。钻孔最上部（<200 mbsf）的样品显示出偏重的Mg同位素组成，伴随铁氢氧化物及黏土矿物的发育，指示其遭受了低温海底风化作用的叠加改造。中部层段（200-1000 mbsf）样品以蛇纹石化作用为主，其Mg同位素组成（平均为-0.24 ± 0.06‰）总体与正常地幔范围重叠。尽管蛇纹石化对镁同位素体系的影响整体有限，但高烧失量样品表现出略微偏重的镁同位素特征（δ²⁶Mg = -0.17 ± 0.05‰，2SD，n = 3），揭示了大洋地幔蛇纹石化晚阶段存在小但可分辨的镁同位素分馏。基于此，蛇纹石化程度较低的样品（LOI < 10 wt.%）则代表了大洋地幔的初始镁同位素组成（δ²⁶Mg = -0.25 ± 0.02‰，2SD，n = 3）。深部层段（>1000 mbsf）则表现出截然不同的同位素行为，样品不仅具有高度变化的镁同位素组成，更表现出显著的Mg-Fe同位素线性负相关关系（R² = 0.88）。这一耦合特征无法用地幔部分熔融或橄榄岩蛇纹石化作用来解释，而是反映在短时间尺度内（<~100年）铁镁质熔体渗透过程中，由扩散驱动的Mg-Fe同位素动力学分馏。

综合IODP 366和399航次的研究，两种不同构造背景下的橄榄岩蛇纹石化过程均观测到了有限但可分辨的Mg同位素分馏。IODP 366航次地幔楔成熟蛇纹岩及IODP 399航次U1601C钻孔高烧失量样品所表现的轻微重Mg同位素特征，指示蛇纹石化晚阶段残余岩石倾向于向重Mg同位素方向的演化。该趋势可能与高流体/岩石比条件下的矿物溶解-沉淀过程有关，即富集重镁同位素的蛇纹石沉淀与富集轻Mg同位素的矿物相（如水镁石）溶解，二者共同导致残余岩石体系向重Mg同位素富集。

此外，基于上述U1601C钻孔垂向分带的系统观察，本研究提出了大洋岩石圈地幔Mg同位素不均一性的多阶段演化模型。高温熔体-橄榄岩相互作用在地幔深部导致动力学分馏，伴随拆离断层的活跃，岩石圈地幔在剥露过程中受到了海水下渗导致的不同程度蛇纹石化与海底风化改造。鉴于大洋核杂岩在慢速及超慢速扩张洋脊中广泛分布，这种由深部高温熔体与浅部低温海水共同驱动的多阶段演化模式，为理解全球洋脊系统下大洋地幔Mg同位素不均一性的成因提供了新的视角。

通过汇编全球地幔楔和大洋地幔橄榄岩镁同位素数据，本文揭示地幔楔橄榄岩（δ²⁶Mg = -0.27 ± 0.04‰）具有与大陆岩石圈地幔（δ²⁶Mg = -0.25 ± 0.04‰）一致的镁同位素组成，表明其整体保留了初始地幔的同位素特征。相比之下，大洋地幔橄榄岩则表现出显著的镁同位素不均一性，无论是全球汇编数据（δ²⁶Mg = -0.21 ± 0.12‰）还是大洋地幔钻孔深部（>1000 mbsf）连续剖面（-0.32‰至0.07‰）均显示出更大的镁同位素变化幅度。这一差异无法用地幔部分熔融解释，而是指示大洋地幔经历了俯冲物质再循环与熔体-橄榄岩反应动力学分馏共同作用的复杂演化历史。

第1章 绪论... 1

1.1 选题背景... 1

1.2 研究现状... 3

1.2.1 镁元素的地球化学性质... 3

1.2.2 镁同位素体系的基本特征... 4

1.2.3 不同地质储库的镁同位素组成... 6

1.2.4 高温地质过程中镁同位素行为... 9

1.2.5 低温地质过程中镁同位素行为... 13

1.3 拟解决的科学问题和研究内容... 17

1.3.1 地幔楔镁同位素组成及蛇纹石化过程镁同位素行为... 17

1.3.2 大洋地幔镁同位素组成及熔-岩反应对镁同位素的影响... 17

1.4 论文工作量统计... 18

第2章 研究方法... 20

2.1 样品制备... 20

2.2 全岩主量和微量元素分析... 20

2.3 全岩镁和铁同位素分析... 21

2.4 尖晶石原位主量元素分析... 23

第3章 地幔楔镁同位素组成及蛇纹石化过程镁同位素行为... 25

3.1 引言... 25

3.2 研究区域地质背景... 26

3.2.1 Yinazao蛇纹岩泥火山... 28

3.2.2 Fantangis&ntilde;a蛇纹岩泥火山... 30

3.2.3 As&ugrave;t Tesoro蛇纹岩泥火山... 31

3.3 样品岩石学与矿物学特征... 32

3.4 样品地球化学特征... 34

3.4.1 全岩主量和微量元素组成... 34

3.4.2 全岩镁同位素组成... 35

3.4.3 尖晶石主量元素组成... 35

3.5 讨论... 37

3.5.1 海底风化作用对蛇纹岩/蛇纹石化橄榄岩镁同位素的影响... 37

3.5.2 浅部俯冲带中俯冲碳酸盐的迁移性... 40

3.5.3 晚阶段地幔楔橄榄岩蛇纹石化过程中镁同位素分馏... 42

3.5.4 地幔楔和大洋地幔镁同位素组成：示踪地幔不均一性... 45

3.6 小结... 50

第4章 大洋地幔镁同位素组成及熔-岩反应对镁同位素的影响... 52

4.1 引言... 52

4.2 研究区域地质背景... 53

4.3 U1601C钻孔及岩石学与矿物学特征... 56

4.4 样品地球化学特征... 60

4.4.1 全岩主量和微量元素组成... 60

4.4.2 全岩镁和铁同位素组成... 61

4.5 讨论... 64

4.5.1 部分熔融对研究样品镁和铁同位素组成的影响... 64

4.5.2 流体-岩石反应对Group 1和Group 2样品Mg同位素特征的控制作用... 66

4.5.3 熔体-岩石反应对深部地幔层段Group 3样品镁和铁同位素特征的控制作用... 68

4.5.4 大洋地幔镁同位素不均一性的启示... 74

4.6 小结... 76

第5章 总结与展望... 78

5.1 取得的主要结论... 78

5.2 局限性与展望... 79

参考文献... 81

附录一&nbsp; 马里亚纳弧前地幔楔橄榄岩主量和微量元素数据... 99

附录二&nbsp; 马里亚纳弧前地幔楔橄榄岩尖晶石主量元素数据... 105

附录三&nbsp; 尖晶石二辉橄榄岩非实比批式熔融模型参数... 111

附录四&nbsp; 亚特兰蒂斯地块大洋地幔橄榄岩主量和微量元素数据... 112

致谢... 125

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果... 126