西太平洋俯冲带岩浆活动与物质循环研究取得进展

传统上，岛弧岩浆高Ba/Th比值，被视为其地幔源区受到俯冲蚀变洋壳（AOC）流体影响的标志。近期研究指出，这一特征也可能源于沉积物熔体的加入。此外，AOC在不相容元素和放射性同位素组成方面较俯冲沉积物更为亏损，进一步增加了在俯冲沉积物主导的岛弧体系中识别其流体贡献的难度。

钾（K）是强不相容元素，沉积物和AOC的K含量较地幔高出多达两个数量级。另一方面，K元素具有强流体活动性，AOC在俯冲脱水过程中会优先释放重K同位素进入流体。因此，沉积物与AOC流体截然不同的K同位素特征，为区分二者在俯冲带岩浆作用中的贡献提供了有效示踪框架。

中国科学院海洋研究所研究团队分析了西太平洋三个不同俯冲带火山岩的K同位素组成。结果显示，无论是受俯冲沉积物影响为主的冲绳海槽和北马里亚纳岛弧样品（高Th/Yb与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、低¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd），还是受俯冲流体影响为主的南马里亚纳岛弧和东马努斯盆地样品（高Ba/Th与¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、低⁸⁷Sr/⁸⁶Sr），其δ⁴¹K值相对均一，整体高于亏损地幔。鉴于地幔部分熔融和玄武质岩浆分异过程中不产生明显的K同位素分馏，玄武质岩浆K同位素的变化直接反映了俯冲组分的贡献。

由于靠近马里亚纳和琉球海沟的俯冲沉积物富含轻K同位素，为解释观察到的重K同位素岛弧岩浆，则需要AOC流体的加入。蒙特卡洛流体交代模型显示：在地幔源区加入5%—6%沉积物熔体后，再贡献3%—4%的AOC流体，可重现具有较高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr样品的K同位素组成；而其他样品仅需0.25%—0.75%的AOC流体和0%—0.5%的沉积物熔体即可。

此外，蒙特卡洛混杂岩底劈模型显示，由沉积物、AOC与地幔机械混合形成的混杂岩熔融难以直接产生重K同位素的岛弧岩浆。研究团队提出，如果混杂岩底劈熔融是岛弧岩浆形成的机制，其脱水驱动的自交代作用也可作为将重K同位素引入岩浆的另一可行途径。在这一过程中，混杂岩从俯冲板块—地幔楔界面底劈上升，其较冷的内部继续脱水，释放的流体对较热的边缘进行交代作用，使其富集重K同位素，最终熔融形成重K同位素的岛弧岩浆。

无论K是通过经典流体交代作用，还是通过研究团队提出的混杂岩脱水自交代作用进入岛弧岩浆，AOC都是产生重K同位素特征的关键。研究表明，K同位素是示踪俯冲沉积物主导型岛弧岩浆源区再循环蚀变洋壳的有效工具。

相关研究成果发表在《地球化学与宇宙化学学报》（Geochimica et Cosmochimica Acta）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金等的支持。

论文链接

琉球俯冲带K循环的流体交代与混杂岩底劈脱水自交代模式图