海洋所揭示俯沖蛇紋巖脫水驅(qū)動(dòng)冷俯沖帶巖漿氧逸度不均一性
近日,國(guó)際地學(xué)期刊Earth and Planetary Science Letters(Nature Index)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)研究組陳祖興副研究員關(guān)于俯沖蛇紋巖流體氧化還原性質(zhì)的最新合作成果,對(duì)理解俯沖蛇紋巖流體對(duì)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(guān)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(zhēng)議。精確約束其中氧化還原敏感元素的價(jià)態(tài),是厘清其氧化還原特征的關(guān)鍵途徑(Chen et al., 2022; 2023)。為此,研究團(tuán)隊(duì)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(biāo)(Ba/Nb、Ba/La和Cs/Yb)呈正相關(guān)。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(jià)態(tài)與氧逸度及酸堿度的關(guān)系
研究人員結(jié)合熱力學(xué)和第一性原理理論計(jì)算,評(píng)估了蛇紋巖在弧下深度脫水釋放流體中Cr的價(jià)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(jìn)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(qiáng)氧化性和高流體活動(dòng)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(dòng)俯沖帶巖漿氧逸度和Cr同位素不均一性的模式圖
研究團(tuán)隊(duì)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(dú)特優(yōu)勢(shì)(Chen et al., 2021; 2022; 2023; 2025a,b),并基于第一性原理和熱力學(xué)計(jì)算,建立了利用變價(jià)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(xiàng)成果被收錄于國(guó)際經(jīng)典教科書Treatise on Geochemistry(第三版);1項(xiàng)成果被美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)(AGU)會(huì)刊EOS以“Editors’Highlight”報(bào)道,并獲美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Susanne Straub教授撰文正面評(píng)價(jià)(https://eos.org/editor-highlights/tracing-oxidizing-slab-fluids-in-cold-volcanic-arcs)。此外,國(guó)際地球化學(xué)學(xué)會(huì)(Geochemical Society)在Geochemical News上也對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行了推介(https://multibriefs.com/briefs/gs/GS110122.php)。
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,曾志剛研究員為共同通訊,合作者包括美國(guó)華盛頓大學(xué)滕方振教授、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所張玉祥副研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)秦禮萍教授和霍金晶博士、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Robert Stern教授、深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室劉佳博士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)雷靜博士。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目聯(lián)合支持。
論文信息:
Zuxing Chen*, Fang-Zhen Teng, 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*, Fang-Zhen Teng,Robert J. Stern, Yuxiang Zhang, Jie Li, Zhigang Zeng. Molybdenum isotope evidence for subduction-modified mantle beneath mid-ocean ridges, Earth and Planetary Science Letters. 2025, 658, 119294.
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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