中国科学家发表IODP 366航次新成果：运用钾－锂同位素示踪俯冲带弧前物质循环过程

图 1 西太平洋马里亚纳俯冲带弧前蛇纹岩泥火山分布及IODP 366航次钻探位置（研究样品取自U1496，U1497和U1498站位）

弧前区域是俯冲带物质循环的重要场所，研究显示俯冲带弧前可以释放大量的水和碳进入地幔楔。受限于样品，前人研究主要集中于数值模拟和质量平衡计算，有关自然样品的研究极其有限。马里亚纳俯冲带弧前出露大量的蛇纹岩泥火山，其中蛇纹岩泥沿断裂上涌过程中可以携带俯冲隧道内的地幔楔和俯冲板片物质到海底浅表，因此这些地质样品是研究俯冲带弧前地质过程的理想对象。 

这项研究以IODP 366航次在马里亚纳俯冲带弧前不同深度泥火山中钻探获得的变质基性岩样品为研究对象（图 1），开展了系统的岩相学、原位矿物化学和全岩K-Li同位素组成研究。岩相学观察显示，变质基性岩样品中残留原始矿物主要为单斜辉石。矿物化学分析表明，HIMU类型变质基性岩中的单斜辉石均具有类似的主微量元素组成，结合团队早期有关全岩放射成因同位素的结论，表明这些HIMU类型变质基性岩来自同一个地幔源区。这项研究发现，HIMU类型变质基性岩K同位素组成随俯冲深度增加逐渐变轻，并且与B同位素组成具有正相关，证明HIMU类型变质基性岩K同位素变化主要反映了变质脱水过程的影响（图 2）。在变质脱水过程中，富集重K同位素的流体释放到地幔楔，导致俯冲板片具有逐渐变轻的K同位素特征。  

图 2 西太平洋马里亚纳俯冲带弧前变质基性岩K同位素组成与B同位素组（a）、B/Be比值（b）及K同位素组成随俯冲深度变化趋势（c）图解

对HIMU类型变质基性岩Li同位素组成的研究显示样品的Li同位素组成与典型HIMU类型洋岛玄武岩Li同位素组成相似，然而来自浅部海山的HIMU类型变质基性岩具有异常高的Li含量。结合不同温度、不同水岩比条件下的水岩反应模拟结果，这项研究指出HIMU类型变质基性岩Li元素浓度及同位素组成主要反映了俯冲板片物质与热液流体之间的水岩反应过程。在高水岩比条件下（~80），玄武质岩石与具有较高Li含量和较低Li同位素组成的热液流体发生水岩反应，可以形成变质玄武岩高Li含量和类似新鲜玄武岩Li同位素组成的特征，该流体可能来自俯冲隧道内沉积物分异的流体。以上证据表明俯冲带弧前存在显著的水岩反应过程，弧前变质基性岩记录了俯冲隧道内沉积物与基性岩的水岩反应过程。综上，由于不同的地球化学行为，K-Li同位素体系分别记录了俯冲带弧前的变质脱水和水岩反应过程。 

研究进一步模拟了俯冲带弧前物质发生深俯冲的变质脱水过程，结果显示，深俯冲的板片物质具有极高的K-Li含量和较轻的K同位素组成，因此海山俯冲可以运送与地幔组成不同的地表物质进入深部地幔，并有可能形成不同的地幔端元；同时俯冲物质释放的流体具有较重的K同位素，这些流体可能会交代地幔楔，并影响岛弧岩浆的K同位素组成。此外，有关EM-II类型变质基性岩的研究表明，变质基性岩样品K-Li同位素组成与放射成因同位素及Nb/Th均表现出协变的特征，这表明EM-II类型变质基性岩可能指示了源区特征。因此，这也反过来表明EM-II地幔端元可能具有轻的K同位素组成。这项研究揭示了俯冲带弧前的物质循环过程，为利用K-Li同位素示踪物质信号提供理论基础。

图 3 西太平洋马里亚纳俯冲带弧前K-Li同位素地球化学行为及物质循环过程示意图