日前，Science子刊Science Advances在線刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室曾志剛課題組與美國康納爾大學(xué)、伍茲霍爾海洋研究所合作者的研究成果，揭示出俯沖蛇紋巖對全球弧巖漿的氧逸度具有重要的控制作用。
大量研究表明，弧巖漿具有比洋中脊巖漿更高的氧逸度，可能與氧化性的俯沖組分的輸入有關(guān)，但是尚不清楚何種俯沖組分對弧巖漿氧逸度起控制作用。蛇紋巖富含水、鹵素、稀有氣體及多種微量元素，是俯沖帶流體的重要來源，在全球地球化學(xué)循環(huán)中扮演著極為重要的角色。近年來，許多研究指出蛇紋巖脫水能釋放高度氧化的流體，可以解釋弧巖漿較高的氧逸度。但也有學(xué)者反對該觀點，認為蛇紋巖流體不是氧化性的，甚至有可能是還原性的。
為了探究俯沖蛇紋巖與弧巖漿氧逸度之間是否存在關(guān)聯(lián)，曾志剛研究團隊試圖從全球俯沖帶數(shù)據(jù)尋找答案。研究人員發(fā)現(xiàn)，氧逸度對弧巖漿中銅（Cu）的行為具有重要影響，因此利用巖漿演化過程中Cu的富集/虧損程度（ Cu）作為巖漿氧逸度的指示指標。此外，還采用實驗巖石學(xué)獲得的另一氧逸度指標—V/Yb。釩（V）是變價元素，具有氧化還原敏感性，而鐿（Yb）則沒有，并且V/Yb不受地幔部分熔融程度和地幔虧損程度的影響，這一點要優(yōu)于V/Ti（鈦）。研究人員利用硼同位素（ 11B）和B/Nb（鈮）比值作為俯沖蛇紋巖的指示劑，探討其與氧逸度指標（ Cu、V/Yb）之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩種指標在全球尺度上呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系，說明俯沖蛇紋巖對弧巖漿氧逸度具有重要的影響。需要注意的是，該研究沒有排除蝕變洋殼的貢獻，也沒有完全證明蛇紋巖流體是氧化性的，因為最新研究表明，單純水的加入也可能引起地幔楔的氧化。
Cu含量與MgO含量相關(guān)圖解
弧巖漿氧逸度指標與俯沖蛇紋巖指標相關(guān)圖解
該研究的另一個重要發(fā)現(xiàn)是，全球原始弧巖漿的氧逸度可能不是均一的，大陸弧巖漿可能比洋內(nèi)弧巖漿具有更低的氧逸度。蛇紋巖脫水受控于溫度、壓力等條件，亦即受控于俯沖板片的角度、溫度、溝弧距離等參數(shù)。大陸弧下的俯沖板片年輕、溫度高、俯沖角度小，而且溝弧距離較遠，因此蛇紋巖可能在板片俯沖過程的早期就釋放了氧化性流體，導(dǎo)致真正進入弧下地幔的氧化性物質(zhì)很少，對弧巖漿源區(qū)的氧化作用有限，洋內(nèi)弧則相反。事實上，俯沖蛇紋巖可能只是弧巖漿氧逸度的一級控制因素，地幔不均一性、俯沖沉積物輸入、巖漿演化、地殼混染等過程都可能影響到弧巖漿的氧化還原狀態(tài)，特別是在具有巨厚地殼的大陸弧，巖漿演化過程復(fù)雜，從火山巖獲取的氧逸度數(shù)據(jù)能否有效代表原始巖漿的值，需要進一步深入研究。
洋內(nèi)弧與大陸弧俯沖帶示意圖
中國科學(xué)院海洋研究所是該成果的第一完成單位，文章第一作者是張玉祥助理研究員。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)科技專項、山東省自然科學(xué)基金等項目支持。
論文信息：
Zhang, Y., et al. Serpentinite-derived slab fluids control the oxidation state of the subarc mantle. Science Advances, 2021, 7, eabj2515. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2515
