海洋所研究揭示俯沖蛇紋巖控制俯沖帶地幔Fe同位素不均一性
近日,國際地學(xué)自然指數(shù)(Nature Index)期刊Geochimica et Cosmochimica Acta在線刊發(fā)了中科院海洋所曾志剛團隊與天津大學(xué)陳玖斌團隊關(guān)于全球俯沖帶玄武巖地幔源區(qū)Fe同位素不均一成因方面的最新合作成果,該成果對理解俯沖蛇紋巖流體對島弧巖漿氧逸度的影響具有重要的意義。

圖1 全球俯沖帶和洋中脊玄武巖(a)、馬里亞納俯沖帶玄武巖(b)Fe同位素組成分布特征
研究團隊對比分析了全球俯沖帶和洋中脊玄武巖Fe-Sr-Nd-B同位素和B/Nb比值大數(shù)據(jù),明確了西太平洋冷俯沖帶島弧玄武巖相對弧后盆地、洋中脊和東太平洋熱俯沖帶島弧玄武巖具有輕Fe同位素組成特征(圖1);發(fā)現(xiàn)冷俯沖帶玄武巖Sr-Nd同位素存在普遍解耦現(xiàn)象以及全球俯沖帶玄武巖δ56Fe與俯沖蛇紋巖流體指示劑(δ11B和B/Nb比值)具有負(fù)相關(guān)性(圖2)。表明俯沖蛇紋巖流體是全球俯沖帶地幔Fe同位素不均一性的一級控制作用。

圖2 俯沖帶玄武巖Sr與Nd同位素(a)、δ56Fe與δ11B(b)和B/Nb(c)之間的相關(guān)性
雖然前人提出俯沖蛇紋巖流體交代地幔楔可能是島弧巖漿輕Fe同位素的原因,由于Fe在地幔中是主量元素而且缺乏蛇紋巖在弧下深度脫水釋放的流體與蛇紋巖之間的Fe元素/同位素分配和分餾系數(shù),對蛇紋巖流體能否顯著改變弧下地幔楔Fe同位素存在較大爭議。
為此,研究人員利用第一性原理理論計算,評估了蛇紋巖在弧下深度脫水過程中與不同流體之間的Fe同位素平衡分餾系數(shù)及其釋放流體的Fe同位素組成。進一步結(jié)合蒙特卡洛模擬,表明俯沖蛇紋巖脫水釋放的富硫酸鹽流體(SO42-–Fe2+)交代弧下地幔楔理論上會造成冷俯沖帶島弧巖漿Fe同位素偏輕(圖3)并氧化島弧巖漿地幔源區(qū)。需要指出的是,流體交代模型需要流體中的Fe含量高達(dá)數(shù)個wt.%,Fe元素在富硫酸鹽的蛇紋巖流體中是否具有強活動性需要實驗巖石學(xué)進一步驗證。

圖3 含F(xiàn)e流體與蛇紋巖在不同溫度下的Fe同位素分餾系數(shù)(a);蛇紋巖弧下深度脫水釋放的含F(xiàn)e硫酸鹽流體(Fe2+-SO42-)隨變質(zhì)脫水程度增加的Fe同位素演化趨勢(b);蛇紋巖流體交代弧下地幔的蒙特卡洛模擬(c)
弧前蛇紋巖具有高氧逸度和顯著的Fe同位素分餾(δ56Fe可低至-0.26‰;圖4),因此,俯沖弧前蛇紋巖通過混雜巖底劈(mélange diaper)模型進入島弧巖漿源區(qū)是造成俯沖帶巖漿Fe同位素及氧逸度不均一性的最直接有效的方式(圖4)。

圖4俯沖帶巖漿氧逸度和Fe同位素不均一性的成因模型:俯沖蛇紋巖流體交代地幔楔模型(a);弧前蛇紋巖形成的混雜巖底劈模型(b)
論文第一/通訊作者為中科院海洋所陳祖興助理研究員,曾志剛研究員為共同通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項、中科院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室開放基金、山東省自然科學(xué)基金等基金項目聯(lián)合支持。
論文信息:Zuxing Chen*, Jiubin Chen, Landry Soh Tamehe, Yuxiang Zhang, Zhigang Zeng*, Ting Zhang, Wangcai Shuai, Xuebo Yin. Light Fe isotopes in arc magmas from cold subduction zones: Implications for serpentinite-derived fluids oxidized the sub-arc mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2022, https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.12.005.
相關(guān)論文:Zuxing Chen*, Jiubin Chen, Landry Soh Tamehe, Yuxiang Zhang, Zhigang Zeng*, Xiaoping Xia, Zexian Cui, Ting Zhang, Kun Guo. Heavy copper isotopes in arc-related lavas from cold subduction zones uncover a sub-arc mantle metasomatized by serpentinite-derived sulfate-rich fluids. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, e2022JB024910. https://doi.org/10.1029/2022JB024910.
Zuxing Chen*, Jiubin Chen, Zhigang Zeng*, Landry Soh Tamehe, Ting Zhang, Yuxiang Zhang, Xuebo Yin, Xiaoyuan Wang, Shuai Chen, Wangcai Shuai. Zinc isotopes of the Mariana and Ryukyu arc-related lavas reveal recycling of forearc serpentinites into the subarc mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, e2021JB022261. https://doi.org/10.1029/2021JB022261.
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