弧前蛇紋巖被俯沖板塊拖拽進入弧下深度釋放輕Zn同位素流體交代弧下地幔楔 海洋研究所供圖
近日，國際地學期刊《地球物理研究雜志：固體地球》在線刊發了關于西太平洋俯沖帶火山巖鋅同位素組成及其對殼幔物質循環指示的最新成果。這是中科院海洋研究所研究員曾志剛團隊與天津大學教授陳玖斌團隊合作完成的新成果。該成果為區分板塊和地幔楔蛇紋巖流體對島弧巖漿活動的影響提供了有效手段，對理解蛇紋巖在俯沖帶物質循環方面的作用具有重要意義。
蛇紋巖由地幔橄欖巖發生低溫熱液蝕變形成，在俯沖帶分布于俯沖板片底部巖石圈地幔(板片蛇紋巖)和俯沖板片上覆弧前地幔楔(地幔楔蛇紋巖)。通常均包含大量的水(> 13 wt.%)、流體活動性元素(Cs、Rb、Sr、Ba、Pb和Li等)以及重硼(B)同位素等特征。因此，利用傳統地球化學方法難以區分這兩種不同來源的蛇紋巖流體對島弧巖漿的影響。
近年來，隨著金屬穩定同位素的發展，不同端元的鋅(Zn)同位素組成特征已得到很好的限定。綜合前人研究數據，曾志剛團隊研究發現，板片蛇紋巖和弧前蛇紋巖存在截然不同的Zn同位素組成，結合已有第一性原理理論計算值評估了弧前蛇紋巖在弧下深度脫水過程中與不同流體之間的Zn同位素平衡分餾系數及其釋放流體的Zn同位素組成。結果表明，弧前蛇紋巖脫水釋放的流體相對地幔楔具有顯著低的Zn同位素組成。因此，弧前蛇紋巖流體交代地幔楔理論上會造成島弧巖漿Zn同位素組成偏輕。
為了驗證這一科學推論，團隊分析了馬里亞納和琉球島弧對應不同板片深度的火山巖樣品。結果顯示，馬里亞納島弧和沖繩海槽南部火山巖樣品Zn同位素組成比洋中脊玄武巖(MORB)低，而馬里亞納海槽和沖繩海槽中部火山巖Zn同位素組成與MORB一致，且δ66Zn與流體活動性指標(87Sr /86Sr和Ba/La)以及板片俯沖深度具有很好的相關性。
多元混合模擬結果表明，約2%~6%的弧前蛇紋巖流體加入到沖繩海槽南部和馬里亞納島弧地幔楔。由于弧后盆地火山巖對應的俯沖板片深度大于200千米，蛇紋巖已經在弧下深度完全分解，因此，未受蛇紋巖流體的影響表現出類似MORB的Zn同位素的特征。此外，琉球島弧和馬里亞納島弧北部俯沖帶熱結構相對較熱，沉積物在弧下深度可以發生部分熔融，所以沖繩海槽和馬里亞納島弧北部火山巖地幔源區還受到1%~2%沉積物熔體的交代。
該項研究表明Zn同位素可以有效區分板片蛇紋巖和地幔楔蛇紋巖脫水對島弧巖漿的影響，為弧前地幔楔蛇紋巖可以被卷入俯沖通道進入弧下深度，進而脫水改造弧下地幔楔的假說提供了確鑿的證據。
論文第一作者為中科院海洋研究所博士陳祖興，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項目聯合支持。
相關論文信息：https://doi.org/10.1029/2021JB022261
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