科学家研究揭示弧前蛇纹岩可以俯冲进入弧下地幔

　　弧前蛇纹岩被俯冲板块拖拽进入弧下深度释放轻Zn同位素流体交代弧下地幔楔 海洋研究所供图

　　近日，国际地学期刊《地球物理研究杂志：固体地球》在线刊发了关于西太平洋俯冲带火山岩锌同位素组成及其对壳幔物质循环指示的最新成果。这是中科院海洋研究所研究员曾志刚团队与天津大学教授陈玖斌团队合作完成的新成果。该成果为区分板块和地幔楔蛇纹岩流体对岛弧岩浆活动的影响提供了有效手段，对理解蛇纹岩在俯冲带物质循环方面的作用具有重要意义。

　　蛇纹岩由地幔橄榄岩发生低温热液蚀变形成，在俯冲带分布于俯冲板片底部岩石圈地幔(板片蛇纹岩)和俯冲板片上覆弧前地幔楔(地幔楔蛇纹岩)。通常均包含大量的水(> 13 wt.%)、流体活动性元素(Cs、Rb、Sr、Ba、Pb和Li等)以及重硼(B)同位素等特征。因此，利用传统地球化学方法难以区分这两种不同来源的蛇纹岩流体对岛弧岩浆的影响。

　　近年来，随着金属稳定同位素的发展，不同端元的锌(Zn)同位素组成特征已得到很好的限定。综合前人研究数据，曾志刚团队研究发现，板片蛇纹岩和弧前蛇纹岩存在截然不同的Zn同位素组成，结合已有第一性原理理论计算值评估了弧前蛇纹岩在弧下深度脱水过程中与不同流体之间的Zn同位素平衡分馏系数及其释放流体的Zn同位素组成。结果表明，弧前蛇纹岩脱水释放的流体相对地幔楔具有显著低的Zn同位素组成。因此，弧前蛇纹岩流体交代地幔楔理论上会造成岛弧岩浆Zn同位素组成偏轻。

　　为了验证这一科学推论，团队分析了马里亚纳和琉球岛弧对应不同板片深度的火山岩样品。结果显示，马里亚纳岛弧和冲绳海槽南部火山岩样品Zn同位素组成比洋中脊玄武岩(MORB)低，而马里亚纳海槽和冲绳海槽中部火山岩Zn同位素组成与MORB一致，且δ66Zn与流体活动性指标(87Sr /86Sr和Ba/La)以及板片俯冲深度具有很好的相关性。

　　多元混合模拟结果表明，约2%~6%的弧前蛇纹岩流体加入到冲绳海槽南部和马里亚纳岛弧地幔楔。由于弧后盆地火山岩对应的俯冲板片深度大于200千米，蛇纹岩已经在弧下深度完全分解，因此，未受蛇纹岩流体的影响表现出类似MORB的Zn同位素的特征。此外，琉球岛弧和马里亚纳岛弧北部俯冲带热结构相对较热，沉积物在弧下深度可以发生部分熔融，所以冲绳海槽和马里亚纳岛弧北部火山岩地幔源区还受到1%~2%沉积物熔体的交代。

　　该项研究表明Zn同位素可以有效区分板片蛇纹岩和地幔楔蛇纹岩脱水对岛弧岩浆的影响，为弧前地幔楔蛇纹岩可以被卷入俯冲通道进入弧下深度，进而脱水改造弧下地幔楔的假说提供了确凿的证据。

　　论文第一作者为中科院海洋研究所博士陈祖兴，该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项目联合支持。

　　相关论文信息：https://doi.org/10.1029/2021JB022261