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    海洋所研究揭示俯沖蛇紋巖釋放硫酸鹽流體交代弧下地幔

      近日,國際地學期刊Journal of Geophysical Research: Solid EarthNature Index刊物)在線刊發了中科院海洋所曾志剛團隊與天津大學陳玖斌團隊、中科院廣州地化所夏小平團隊關于西太平洋俯沖帶火山巖全巖銅(Cu)同位素、巖漿硫化物微區硫(S)同位素組成及其分餾機制的最新合作成果,對理解俯沖蛇紋巖流體的氧化還原性質及其對島弧巖漿氧逸度的控制作用具有重要意義。 

      蛇紋巖脫水對俯沖帶水循環至關重要,然而其在弧下深度釋放流體的氧化還原性質目前存在巨大爭議。為了更好地認識該問題,研究人員分析了西太平洋俯沖帶火山巖CuS同位素(氧化還原敏感元素),進而示蹤和識別蛇紋巖流體及其中的變價元素價態。 

    1 不同構造背景巖石Cu同位素組成(a);Cu元素及其同位素在地幔部分熔融過程中的行為(b-c

      研究人員發現,西太平洋琉球、馬里亞納和馬努斯俯沖帶具有島弧性質的玄武質火山巖,相對于地幔橄欖巖及其衍生的幔源巖石(洋中脊玄武巖、洋島玄武巖、科馬提巖和玻安巖)具有重Cu同位素組成(圖1)。島弧巖漿由于具有高程度部分熔融(>10%),地幔源區的巖漿硫化物將會被耗盡,導致部分熔融過程不會造成明顯Cu同位素分餾(圖1)。因此,島弧原始巖漿的重Cu同位素特征反映的是其地幔源區的特征。此外,Cu同位素與俯沖流體指標(如Ba/Th、Ba/LaB/Nb)具有很好的相關性(圖2),指示了俯沖板片流體交代了島弧巖漿地幔源區,尤其是高B/Nb比值,反映了蛇紋巖流體的加入。 

    2 俯沖帶火山巖Cu同位素與俯沖板片流體(a-c)及熔體指標(d)之間的相關性 

      進一步,研究人員結合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Cu同位素平衡分餾系數及其釋放流體的Cu同位素組成。結果表明,蛇紋巖脫水釋放的富硫酸鹽流體(SO42-–Cu2+)具有重Cu同位素(圖3)。因此,富硫酸鹽的蛇紋巖流體交代弧下地幔楔理論上會造成島弧巖漿Cu同位素組成偏重。端元混合模擬顯示約1%-7%的富硫酸鹽的蛇紋巖流體加入到弧下地幔楔。由于蛇紋巖在弧下深度已經完全分解,未受蛇紋巖流體影響的弧后玄武巖表現出洋中脊玄武巖(MORBCu同位素組成特征(圖3)。巖漿硫化物S同位素從島弧偏重(~+4)轉變為弧后的MORB特征(~ -1)(圖4),進一步證實了富硫酸鹽的蛇紋巖流體隨著俯沖板片深度的變化。 

    3 Cu絡合物不同溫度下的簡約配分函數比及分餾系數(a);蛇紋巖弧下深度釋放富硫酸鹽流體的Cu同位素理論演化趨勢(b);(c)蛇紋巖流體交代弧下地幔的端元混合模擬    

      該項研究表明在冷俯沖帶,俯沖蛇紋巖可以釋放硫酸鹽流體交代弧下地幔楔。由于硫酸鹽流體具有強氧化性,富硫酸的蛇紋巖流體交代弧下地幔楔是造成冷俯沖帶島弧巖漿具有高氧逸度的重要原因(圖4)。 

    4 俯沖蛇紋巖釋放重Cu同位素的硫酸鹽流體交代弧下地幔楔,造成島弧巖漿具有高氧逸度

      論文第一作者和通訊作者為中國科學院海洋研究所陳祖興博士,曾志剛研究員為共同通訊。該研究得到了國家自然科學基金、中科院先導專項、中科院海洋地質與環境重點實驗室開放基金、山東省自然科學基金等基金項目聯合支持。    

      論文信息: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://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2022JB024910 


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