海洋所揭示俯沖蛇紋巖脫水驅(qū)動冷俯沖帶巖漿氧逸度不均一性
近日,國際地學期刊Earth and Planetary Science Letters(Nature Index)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陳祖興副研究員關于俯沖蛇紋巖流體氧化還原性質(zhì)的最新合作成果,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 全球大洋玄武巖Cr同位素組成分布特征
蛇紋巖在弧下深度的脫水作用是俯沖帶水和揮發(fā)分循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié),并可能調(diào)控弧下地幔的氧化狀態(tài)。然而,其釋放流體的氧化還原性質(zhì)仍存在較大爭議。精確約束其中氧化還原敏感元素的價態(tài),是厘清其氧化還原特征的關鍵途徑(Chen et al., 2022; 2023)。為此,研究團隊分析了全球典型冷俯沖帶—馬里亞納的玄武巖Cr同位素組成,發(fā)現(xiàn)島弧巖漿相較于弧后盆地玄武巖富集重Cr同位素,而后者與洋中脊玄武巖相似(圖1);Cr同位素與俯沖流體指標(Ba/Nb、Ba/La和Cs/Yb)呈正相關。鑒于沉積物和蝕變洋殼Cr含量極低且同位素組成接近地幔,而蛇紋巖則具有較高Cr含量和更重的Cr同位素組成,這表明俯沖蛇紋巖流體交代地幔源區(qū)是俯沖帶巖漿Cr同位素變化的主控因素。

圖2 弧下深度俯沖流體中Cr價態(tài)與氧逸度及酸堿度的關系
研究人員結(jié)合熱力學和第一性原理理論計算,評估了蛇紋巖在弧下深度脫水釋放流體中Cr的價態(tài)及其同位素組成。結(jié)果顯示,由于蛇紋巖流體在弧下深度為堿性,Cr主要以Cr6+形式存在(圖2),并富集重Cr同位素(圖3A)。蒙特卡洛模擬進一步表明,富Cr6+的堿性蛇紋巖流體交代弧下地幔楔,可解釋冷俯沖帶島弧巖漿Cr同位素的偏重特征(圖3B)。由于Cr6+具有強氧化性和高流體活動性,富Cr6+的蛇紋巖流體亦可直接氧化弧下地幔楔中的Fe2?,從而提高島弧巖漿的氧逸度。本研究表明,在冷俯沖帶,俯沖蛇紋巖可以釋放氧化性流體交代并氧化島弧巖漿地幔源區(qū)(圖4)。

圖3 含Cr6+和Cr3+流體與蛇紋巖在不同溫度下的Cr同位素分餾系數(shù)(A);俯沖沉積物和蛇紋巖流體交代弧下地幔的蒙特卡洛模擬(B)

圖4 蛇紋巖脫水驅(qū)動俯沖帶巖漿氧逸度和Cr同位素不均一性的模式圖
研究團隊系列研究表明,金屬穩(wěn)定同位素在示蹤俯沖流體來源及其氧化還原性質(zhì)方面具有獨特優(yōu)勢(Chen et al., 2021; 2022; 2023; 2025a,b),并基于第一性原理和熱力學計算,建立了利用變價金屬穩(wěn)定同位素示蹤俯沖蛇紋巖流體氧化還原性質(zhì)的理論體系。其中3項成果被收錄于國際經(jīng)典教科書Treatise on Geochemistry(第三版);1項成果被美國地球物理學會(AGU)會刊EOS以“Editors’Highlight”報道,并獲美國哥倫比亞大學Susanne Straub教授撰文正面評價(https://eos.org/editor-highlights/tracing-oxidizing-slab-fluids-in-cold-volcanic-arcs)。此外,國際地球化學學會(Geochemical Society)在Geochemical News上也對相關成果進行了推介(https://multibriefs.com/briefs/gs/GS110122.php)。
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,曾志剛研究員為共同通訊,合作者包括美國華盛頓大學滕方振教授、中國科學院海洋研究所張玉祥副研究員、中國科學技術(shù)大學秦禮萍教授和霍金晶博士、美國德克薩斯大學達拉斯分校Robert Stern教授、深空探測實驗室劉佳博士、中國科學技術(shù)大學雷靜博士。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和山東省自然科學基金等項目聯(lián)合支持。
論文信息:
Zuxing Chen*, Fang-Zhen Teng, Yuxiang Zhang, Liping Qin, Jinjing Huo, Robert J. Stern, Jia Liu, Jing Lei, Zhigang Zeng*. Serpentinite dehydration-driven redox heterogeneity in cold subduction zone magmas, Earth and Planetary Science Letters. 2025, 667, 119537.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25003358
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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, 2023, 342: 1-14.
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.
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.
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