近日，國際地學(xué)期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth（Nature Index刊物）在線刊發(fā)了中科院海洋所曾志剛團(tuán)隊與天津大學(xué)陳玖斌團(tuán)隊關(guān)于西太平洋俯沖帶火山巖鋅同位素組成及其對殼幔物質(zhì)循環(huán)指示的最新合作成果，為區(qū)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(zhì)循環(huán)方面的作用具有重要意義。
蛇紋巖由地幔橄欖巖發(fā)生低溫?zé)嵋何g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(tǒng)地球化學(xué)方法難以區(qū)分這兩種不同來源的蛇紋巖流體對島弧巖漿的影響。
不同巖石（a）及潛在的俯沖組分（b）Zn同位素組成
近年來，隨著金屬穩(wěn)定同位素的發(fā)展，不同端元的鋅（Zn）同位素組成特征已得到很好的限定。綜合前人數(shù)據(jù)，團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)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(jié)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(shù)及其釋放流體的Zn同位素組成。結(jié)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。
Zn絡(luò)合物不同溫度下的簡約配分函數(shù)比（a）；弧前蛇紋巖脫水理論模擬（b）
為了驗(yàn)證這一科學(xué)推論，團(tuán)隊分析了馬里亞納和琉球島弧對應(yīng)不同板片深度的火山巖樣品。結(jié)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 66Zn與流體活動性指標(biāo)（87Sr /86Sr和Ba/La）以及板片俯沖深度具有很好的相關(guān)性。
66Zn與87Sr /86Sr及板片深度之間的關(guān)系（a-b）；馬里亞納和琉球俯沖帶熱結(jié)構(gòu)及蛇紋巖穩(wěn)定域（c）
多元混合模擬結(jié)果表明，約2%-6%的弧前蛇紋巖流體加入到?jīng)_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(yīng)的俯沖板片深度大于200 km，蛇紋巖已經(jīng)在弧下深度完全分解，因此，未受蛇紋巖流體的影響表現(xiàn)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(jié)構(gòu)相對較熱，沉積物在弧下深度可以發(fā)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(qū)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(qū)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(jìn)入弧下深度，進(jìn)而脫水改造弧下地幔楔的假說提供了確鑿的證據(jù)。
弧前蛇紋巖被俯沖板塊拖拽進(jìn)入弧下深度釋放輕Zn同位素流體交代弧下地幔楔
論文第一作者為中國科學(xué)院海洋研究所陳祖興博士，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項、中科院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、山東省自然科學(xué)基金等項目聯(lián)合支持。
論文信息：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. https://doi.org/10.1029/2021JB022261.
