海洋所研究揭示俯冲蛇纹岩控制俯冲带地幔Fe同位素不均一性

　　近日，国际地学自然指数（Nature Index）期刊Geochimica et Cosmochimica Acta在线刊发了中科院海洋所曾志刚团队与天津大学陈玖斌团队关于全球俯冲带玄武岩地幔源区Fe同位素不均一成因方面的最新合作成果，该成果对理解俯冲蛇纹岩流体对岛弧岩浆氧逸度的影响具有重要的意义。
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图1 全球俯冲带和洋中脊玄武岩（a）、马里亚纳俯冲带玄武岩（b）Fe同位素组成分布特征
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　　研究团队对比分析了全球俯冲带和洋中脊玄武岩Fe-Sr-Nd-B同位素和B/Nb比值大数据，明确了西太平洋冷俯冲带岛弧玄武岩相对弧后盆地、洋中脊和东太平洋热俯冲带岛弧玄武岩具有轻Fe同位素组成特征（图1）；发现冷俯冲带玄武岩Sr-Nd同位素存在普遍解耦现象以及全球俯冲带玄武岩δ56Fe与俯冲蛇纹岩流体指示剂（δ11B和B/Nb比值）具有负相关性（图2）。表明俯冲蛇纹岩流体是全球俯冲带地幔Fe同位素不均一性的一级控制作用。
 

                               
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图2 俯冲带玄武岩Sr与Nd同位素（a）、δ56Fe与δ11B（b）和B/Nb（c）之间的相关性
 
　　虽然前人提出俯冲蛇纹岩流体交代地幔楔可能是岛弧岩浆轻Fe同位素的原因，由于Fe在地幔中是主量元素而且缺乏蛇纹岩在弧下深度脱水释放的流体与蛇纹岩之间的Fe元素/同位素分配和分馏系数，对蛇纹岩流体能否显著改变弧下地幔楔Fe同位素存在较大争议。
 
4 o1 `- N# m$ H　　为此，研究人员利用第一性原理理论计算，评估了蛇纹岩在弧下深度脱水过程中与不同流体之间的Fe同位素平衡分馏系数及其释放流体的Fe同位素组成。进一步结合蒙特卡洛模拟，表明俯冲蛇纹岩脱水释放的富硫酸盐流体（SO42-–Fe2+）交代弧下地幔楔理论上会造成冷俯冲带岛弧岩浆Fe同位素偏轻（图3）并氧化岛弧岩浆地幔源区。需要指出的是，流体交代模型需要流体中的Fe含量高达数个wt.%，Fe元素在富硫酸盐的蛇纹岩流体中是否具有强活动性需要实验岩石学进一步验证。
 
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图3 含Fe流体与蛇纹岩在不同温度下的Fe同位素分馏系数（a）；蛇纹岩弧下深度脱水释放的含Fe硫酸盐流体（Fe2+-SO42-）随变质脱水程度增加的Fe同位素演化趋势（b）；蛇纹岩流体交代弧下地幔的蒙特卡洛模拟（c）
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　　弧前蛇纹岩具有高氧逸度和显著的Fe同位素分馏（δ56Fe可低至-0.26‰；图4），因此，俯冲弧前蛇纹岩通过混杂岩底劈（mélange diaper）模型进入岛弧岩浆源区是造成俯冲带岩浆Fe同位素及氧逸度不均一性的最直接有效的方式（图4）。
 

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+ u9 n' w4 D9 H# r7 u' ^/ d$ e: ^9 ?图4俯冲带岩浆氧逸度和Fe同位素不均一性的成因模型：俯冲蛇纹岩流体交代地幔楔模型（a）；弧前蛇纹岩形成的混杂岩底劈模型（b）
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! l7 y. D9 w% A* Y/ n; E　　论文第一/通讯作者为中科院海洋所陈祖兴助理研究员，曾志刚研究员为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、中科院先导专项、中科院海洋地质与环境重点实验室开放基金、山东省自然科学基金等基金项目联合支持。
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　　论文信息：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, 2022, www.52ocean.cn.
 
! ^, K+ n$ _6 m, \9 m　　相关论文：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://doi.org/10.1029/2022JB024910.
 
　　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. https://doi.org/10.1029/2021JB022261.