海洋所在西太平洋俯沖帶巖漿活動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)方面取得新進(jìn)展
近日,Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta在線刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋地球化學(xué)研究組關(guān)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(xiàn)程度及作用機(jī)制的最新研究成果,為深入理解俯沖帶殼幔物質(zhì)循環(huán)提供了重要支撐。
島弧巖漿相對(duì)于洋中脊玄武巖通常富集大離子親石元素(如K)、虧損高場(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(biāo)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(jìn)一步增加了在俯沖沉積物主導(dǎo)的島弧體系中識(shí)別其流體貢獻(xiàn)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(qiáng)不相容元素,進(jìn)而沉積物和AOC的K含量較地幔高出多達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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(qiáng)流體活動(dòng)性,AOC在俯沖脫水過(guò)程中會(huì)優(yōu)先釋放重K同位素進(jìn)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(xiàn)提供了有效示蹤框架。
為此,研究團(tuán)隊(duì)分析了西太平洋三個(gè)不同俯沖帶火山巖的K同位素組成。結(jié)果顯示,無(wú)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(duì)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(zhì)巖漿分異過(guò)程中不產(chǎn)生明顯的K同位素分餾,玄武質(zhì)巖漿K同位素的變化直接反映了俯沖組分的貢獻(xiàn)。

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(xiàn)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(jī)械混合形成的混雜巖(mélange)熔融難以直接產(chǎn)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(jī)制,其脫水驅(qū)動(dòng)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(guò)程中,混雜巖從俯沖板塊–地幔楔界面底劈上升,其較冷的內(nèi)部繼續(xù)脫水,釋放的流體對(duì)較熱的邊緣進(jìn)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(wú)論K是通過(guò)經(jīng)典流體交代作用,還是通過(guò)研究團(tuán)隊(duì)提出的混雜巖脫水自交代作用進(jìn)入島弧巖漿,AOC都是產(chǎn)生重K同位素特征的關(guān)鍵。本研究表明,K同位素是示蹤俯沖沉積物主導(dǎo)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(guó)科學(xué)院海洋研究所陳祖興副研究員,合作者包括美國(guó)華盛頓大學(xué)滕方振教授、Winnie X. Fan博士、黃天一博士,美國(guó)得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Robert J. Stern教授,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)王澤洲教授,中國(guó)科學(xué)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(xué)曾志剛教授。該研究得到了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所自主部署、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家和山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目聯(lián)合支持。
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.
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