南海被称为中国的母亲海，它是由于欧亚大陆东部裂解形成的洋盆，也是西太平洋最大的边缘海盆。南海位于欧亚大陆、太平洋和印度洋三大板块的交界处（图1），这使得南海形成的原因极具争议。由于南海位于三大板块的交汇区，关于南海下部具有太平洋型还是印度洋型地幔，一直是地球科学界探讨的重要科学问题。南海打开的动力学过程及南海下部地幔组成，最可能在南海扩张期洋壳（玄武岩）中得到忠实的记录。然而，新生代以来，南海被上千米的巨厚沉积层所覆盖，长期以来南海扩张期洋壳样本无法获得。2014年，张国良研究员参加的国际大洋发现计划（IODP_349航次）首次钻透沉积层，历史性的首次获得了南海扩张期洋壳玄武岩。
张国良团队主导的本次研究，获得了南海两个海盆钻孔玄武岩岩芯的主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素数据，发现西南次海盆和东部次海盆具有明显的差异。西南次海盆扩张期玄武岩具有富集型洋中脊玄武岩特征（E-MORB），而东部次海盆同时存在富集型（E-MORB）和亏损型玄武岩（N-MORB）（图2）。在Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成上，两个次海盆都属于印度洋型地幔（地球化学上称为Dupal异常），且存在明显的组成差异。这说明，南海的两个次海盆之间具有不同的地幔演化历史。
为揭示南海为何存在印度洋型地幔，以及为何两个次海盆之间存在不同的地幔演化历史，张国良团队模拟了海南地幔柱和大陆下地壳对亏损上地幔组成的影响（图3）。结果发现，东部次海盆玄武岩同位素组成需要混入海南地幔柱组分达40%，这很好地反映了海南地幔柱组分与太平洋型亏损地幔之间的混合关系；而西南次海盆地幔组成（如亏损Pb同位素的特征），很好地反映了南海张裂过程中有大陆下地壳的混入。南海张裂过程中混入的海南地幔柱和大陆下地壳都有Dupal异常的特征，这正是南海存在印度洋型地幔的原因。以此为据，研究提出了一个南海初始裂解过程的模型：新生的海南地幔柱在南海打开过程中可能起到了助推作用，海南地幔柱不仅混染了南海下部的亏损地幔，而且可能促进了大陆下地壳有效混入软流圈。该研究对于认识南海张裂过程和原因具有重要意义，对于认识印度洋型地幔的本质和成因也有重要的推动作用。
本项研究得到了国家优秀青年科学基金和青岛海洋科学与技术国家实验室“鳌山人才”计划项目的支持。
Zhang, G.L.,(*), Luo, Q., Zhao, J., Jackson, M G., Guo, L S., Zhong, L F., (2018). Geochemical nature of sub-ridge mantle and opening dynamics of the South China Sea. Earth and Planetary Sciences Letters. 489: 145–155.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X1830102X
图1. 南海构造背景图及IODP_349航次钻探（站位：U1431，U1433和U1434）位置
图2. IODP_349航次钻探获得洋壳玄武岩的微量元素组成
图3. IODP_349航次钻探获得洋壳玄武岩的同位素组成
（其中，西南次海盆（U1433，U1434）和东部次海盆（U1431）存在明显的组成差异，且都体现为印度洋型地幔源区组成）
