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Science Advances發表海洋所關于俯沖帶巖漿氧逸度的研究成果

撰稿: 海洋研究所 發布時間:2021-12-17

  日前,Science子刊Science Advances在線刊發了中國科學院海洋地質與環境重點實驗室曾志剛課題組與美國康納爾大學、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,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,在全球地球化學循環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聯,曾志剛研究團隊試圖從全球俯沖帶數據尋找答案。研究人員發現,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,這一點要優于V/Ti(鈦)。研究人員利用硼同位素(δ11B)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)之間的關系,發現兩種指標在全球尺度上呈現良好的正相關關系,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含量相關圖解

 

弧巖漿氧逸度指標與俯沖蛇紋巖指標相關圖解

  該研究的另一個重要發現是,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。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,導致真正進入弧下地幔的氧化性物質很少,對弧巖漿源區的氧化作用有限,洋內弧則相反。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,特別是在具有巨厚地殼的大陸弧,巖漿演化過程復雜,從火山巖獲取的氧逸度數據能否有效代表原始巖漿的值,需要進一步深入研究。 

洋內弧與大陸弧俯沖帶示意圖

  中國科學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基金、中科院先導科技專項、山東省自然科學基金等項目支持。 

  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 

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