近日,Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta在線刊發(fā)了中國科學院海洋研究所海洋地球化學研究組關于西太平洋俯沖帶巖漿地幔源區(qū)中不同俯沖組分的貢獻程度及作用機制的最新研究成果,為深入理解俯沖帶殼幔物質循環(huán)提供了重要支撐。
島弧巖漿相對于洋中脊玄武巖通常富集大離子親石元素(如K)、虧損高場強元素(如Nb、Ta),這一特征被普遍歸因于沉積物和蝕變洋殼(AOC)等俯沖組分對上覆地幔楔的交代作用。島弧巖漿高Ba/Th比值傳統(tǒng)上被視為其地幔源區(qū)受到俯沖蝕變洋殼流體影響的標志,但近期研究也指出,這一特征可能源于沉積物熔體的加入。此外,AOC在不相容元素和放射性同位素組成方面較俯沖沉積物更為虧損,進一步增加了在俯沖沉積物主導的島弧體系中識別其流體貢獻的難度。

圖1 本研究俯沖帶火山巖樣品及DSDP/ODP鉆孔的空間位置分布
鉀(K)是強不相容元素,進而沉積物和AOC的K含量較地幔高出多達兩個數(shù)量級。俯沖海洋沉積物整體富集輕K同位素,例如琉球俯沖沉積物的δ41K可低至?1.3‰,顯著低于地幔(?0.42±0.08‰)。另一方面,K元素具有強流體活動性,AOC在俯沖脫水過程中會優(yōu)先釋放重K同位素進入流體。因此,沉積物與AOC流體截然不同的K同位素特征,為區(qū)分二者在俯沖帶巖漿作用中的貢獻提供了有效示蹤框架。
為此,研究團隊分析了西太平洋三個不同俯沖帶火山巖的K同位素組成。結果顯示,無論是受俯沖沉積物影響為主的沖繩海槽和北馬里亞納島弧樣品(高Th/Yb與87Sr/86Sr、低143Nd/144Nd)、還是受俯沖流體影響為主的南馬里亞納島弧和東馬努斯盆地樣品(高Ba/Th與143Nd/144Nd、低87Sr/86Sr),其δ41K值相對均一(–0.37‰至–0.19‰),整體高于虧損地幔(圖2)。鑒于地幔部分熔融和玄武質巖漿分異過程中不產生明顯的K同位素分餾,玄武質巖漿K同位素的變化直接反映了俯沖組分的貢獻。

圖2 西太平洋俯沖帶島弧巖漿K-Sr同位素組成及俯沖流體交代模型
由于靠近馬里亞納和琉球海溝的俯沖沉積物富含輕K同位素,為解釋觀察到的重K同位素島弧巖漿,則需要AOC流體的加入(圖2A)。蒙特卡洛流體交代模型顯示:在地幔源區(qū)加入5~6%沉積物熔體后,再貢獻3~4%的AOC流體,可重現(xiàn)具有較高87Sr/86Sr樣品的K同位素組成;而其他樣品僅需0.25~0.75%的AOC流體和0~0.5%的沉積物熔體即可(圖2B)。

圖3 西太平俯沖帶島弧巖漿K-Sr同位素組成及混雜巖底劈與脫水自交代模型
此外,蒙特卡洛混雜巖底劈模型顯示,由沉積物、AOC與地幔機械混合形成的混雜巖(mélange)熔融難以直接產生重K同位素的島弧巖漿(圖 3A)。研究人員提出,如果混雜巖底劈熔融是島弧巖漿形成的機制,其脫水驅動的自交代作用也可作為將重K同位素引入巖漿的另一可行途徑(圖 3B)。在這一過程中,混雜巖從俯沖板塊–地幔楔界面底劈上升,其較冷的內部繼續(xù)脫水,釋放的流體對較熱的邊緣進行交代作用,使其富集重K同位素,最終熔融形成重K同位素的島弧巖漿(圖 4)。

圖4 琉球俯沖帶K循環(huán)的流體交代與混雜巖底劈脫水自交代模式圖
然而,無論K是通過經典流體交代作用,還是通過研究團隊提出的混雜巖脫水自交代作用進入島弧巖漿,AOC都是產生重K同位素特征的關鍵。本研究表明,K同位素是示蹤俯沖沉積物主導型島弧巖漿源區(qū)再循環(huán)蝕變洋殼的有效工具。
論文第一/通訊作者為中國科學院海洋研究所陳祖興副研究員,合作者包括美國華盛頓大學滕方振教授、Winnie X. Fan博士、黃天一博士,美國得克薩斯大學達拉斯分校Robert J. Stern教授,中國地質大學(北京)王澤洲教授,中國科學院海洋研究所張玉祥副研究員、王曉媛副研究員以及天津大學曾志剛教授。該研究得到了中國科學院海洋研究所自主部署、國家重點研發(fā)計劃、國家和山東省自然科學基金等項目聯(lián)合支持,所用樣品依托“科學”號科考船采集。
論文信息:
Zuxing Chen*, Fang-Zhen Teng, Winnie X. Fan, Robert J. Stern, Ze-Zhou Wang, Yuxiang Zhang, Tian-Yi Huang, Xiaoyuan Wang, Zhigang Zeng. Contributions of recycled altered oceanic crust to sediment-dominated arc magma sources revealed by potassium isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2025, https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.025.
(本文來源于中國科學院海洋研究所,“科學”號信息員封婧提供)