圖1 馬里亞納弧前地幔楔蛇紋巖 56Fe與橄欖巖原巖富集程度指數(shù)相關(guān)性圖
研究結(jié)果顯示，這些地幔楔蛇紋巖發(fā)生了高度蛇紋石化至完全蛇紋石化，同時(shí)具有高的Cl和SO3含量。并且隨著蛇紋石化程度增加，Cl和SO3含量均有增加的趨勢(shì)。這些蛇紋巖的橄欖巖原巖十分虧損，但其Fe同位素組成卻總體偏重（ 56Fe, -0.01 – 0.15‰）（圖1），明顯高于橄欖巖原巖，說(shuō)明地幔楔蛇紋石化過(guò)程發(fā)生了明顯的Fe同位素分餾作用，導(dǎo)致蛇紋巖的Fe同位素逐漸變重（ 56Fe增加）。這些蛇紋巖的Fe同位素組成( 56Fe)、Fe3+/ Fe與燒失量、Cl和SO3含量均表現(xiàn)出明顯相關(guān)性（圖2），結(jié)合其全巖Fe含量隨燒失量升高輕微降低的特征，指示弧前地幔楔在富氯/硫酸根板片流體不斷蛇紋石化的過(guò)程中發(fā)生了Fe2+的丟失以及顯著的Fe同位素分餾。也就是說(shuō)，具有輕Fe同位素組成的Fe2+隨滲濾板片流體不斷流失，導(dǎo)致殘留的蛇紋巖Fe同位素組成變重，同時(shí)Fe3+/ Fe比值升高。馬里亞納弧前地幔楔蛇紋巖的高Fe3+/ Fe比值介于磁鐵礦和赤鐵礦之間，結(jié)合其高的SO3含量（圖2），指示弧前蛇紋石化地幔楔具有很高的氧逸度。這樣高氧逸度的弧前地幔楔蛇紋巖可沿俯沖隧道被俯沖板片拖拽到弧下地幔深度并分解釋放氧化性流體，對(duì)島弧巖漿的氧逸度產(chǎn)生重要影響。
圖2 馬里亞納弧前地幔楔蛇紋巖鐵同位素( 56Fe)、Fe3+/ Fe比值隨Cl、SO3含量變化特征
該研究的重要性在于發(fā)現(xiàn)了地幔楔蛇紋石化過(guò)程中顯著的地幔氧化及Fe同位素分餾現(xiàn)象。基于以上結(jié)果，研究人員提出在俯沖帶地幔楔底部的成熟蛇紋巖可以作為過(guò)濾層固定富重鐵同位素的Fe3+，并釋放輕鐵同位素的Fe2+離子進(jìn)入滲濾的板片流體（圖3）。這些流體隨后可遷移至上部地幔楔甚至地幔熔融區(qū)，進(jìn)而影響島弧巖漿的產(chǎn)生。這對(duì)于島弧巖漿氧逸度及Fe同位素組成具有重要意義，即地幔楔蛇紋石化過(guò)程以及隨后的一些地質(zhì)過(guò)程（地幔楔蛇紋巖俯沖分解脫水）可能會(huì)導(dǎo)致島弧地幔逐漸氧化并富集輕Fe同位素，這樣的島弧地幔部分熔融就會(huì)產(chǎn)生具有輕Fe同位素組成的氧化性島弧巖漿。
圖3 馬里亞納弧前地幔楔蛇紋石化過(guò)程及蛇紋巖“過(guò)濾”板片流體鐵同位素模型
該研究為中科院海洋所與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作完成，論文第一作者為中科院海洋所鄧江洪博士，中科院海洋所孫衛(wèi)東研究員以及中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）何永勝教授同為共同通訊作者。研究得到了中國(guó)大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金、青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃等資助。
論文信息：
Deng, J.H.*, He, Y.S.*, Zartman, R. E., Yang, X.Y., Sun, W.D.*, 2022. Large iron isotope fractionation during mantle wedge serpentinization: implications for iron isotopes of arc magmas. Earth and Planetary Science Letters 583, 117423.
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X22000590
