近日，Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta在线刊发了中国科学院海洋研究所海洋地球化学研究组关于西太平洋俯冲带岩浆地幔源区中不同俯冲组分的贡献程度及作用机制的最新研究成果，为深入理解俯冲带壳幔物质循环提供了重要支撑。

岛弧岩浆相对于洋中脊玄武岩通常富集大离子亲石元素（如K）、亏损高场强元素（如Nb、Ta），这一特征被普遍归因于沉积物和蚀变洋壳（AOC）等俯冲组分对上覆地幔楔的交代作用。岛弧岩浆高Ba/Th比值传统上被视为其地幔源区受到俯冲蚀变洋壳流体影响的标志，但近期研究也指出，这一特征可能源于沉积物熔体的加入。此外，AOC在不相容元素和放射性同位素组成方面较俯冲沉积物更为亏损，进一步增加了在俯冲沉积物主导的岛弧体系中识别其流体贡献的难度。

图1 本研究俯冲带火山岩样品及DSDP/ODP钻孔的空间位置分布

钾（K）是强不相容元素，进而沉积物和AOC的K含量较地幔高出多达两个数量级。俯冲海洋沉积物整体富集轻K同位素，例如琉球俯冲沉积物的δ41K可低至−1.3‰，显著低于地幔（−0.42±0.08‰）。另一方面，K元素具有强流体活动性，AOC在俯冲脱水过程中会优先释放重K同位素进入流体。因此，沉积物与AOC流体截然不同的K同位素特征，为区分二者在俯冲带岩浆作用中的贡献提供了有效示踪框架。

为此，研究团队分析了西太平洋三个不同俯冲带火山岩的K同位素组成。结果显示，无论是受俯冲沉积物影响为主的冲绳海槽和北马里亚纳岛弧样品（高Th/Yb与87Sr/86Sr、低143Nd/144Nd）、还是受俯冲流体影响为主的南马里亚纳岛弧和东马努斯盆地样品（高Ba/Th与143Nd/144Nd、低87Sr/86Sr），其δ41K值相对均一（–0.37‰至–0.19‰），整体高于亏损地幔（图2）。鉴于地幔部分熔融和玄武质岩浆分异过程中不产生明显的K同位素分馏，玄武质岩浆K同位素的变化直接反映了俯冲组分的贡献。

图2 西太平洋俯冲带岛弧岩浆K-Sr同位素组成及俯冲流体交代模型

由于靠近马里亚纳和琉球海沟的俯冲沉积物富含轻K同位素，为解释观察到的重K同位素岛弧岩浆，则需要AOC流体的加入（图2A）。蒙特卡洛流体交代模型显示：在地幔源区加入5~6%沉积物熔体后，再贡献3~4%的AOC流体，可重现具有较高87Sr/86Sr样品的K同位素组成；而其他样品仅需0.25~0.75%的AOC流体和0~0.5%的沉积物熔体即可（图2B）。

图3 西太平俯冲带岛弧岩浆K-Sr同位素组成及混杂岩底劈与脱水自交代模型

此外，蒙特卡洛混杂岩底劈模型显示，由沉积物、AOC与地幔机械混合形成的混杂岩（mélange）熔融难以直接产生重K同位素的岛弧岩浆（图 3A）。研究人员提出，如果混杂岩底劈熔融是岛弧岩浆形成的机制，其脱水驱动的自交代作用也可作为将重K同位素引入岩浆的另一可行途径（图 3B）。在这一过程中，混杂岩从俯冲板块–地幔楔界面底劈上升，其较冷的内部继续脱水，释放的流体对较热的边缘进行交代作用，使其富集重K同位素，最终熔融形成重K同位素的岛弧岩浆（图 4）。

图4 琉球俯冲带K循环的流体交代与混杂岩底劈脱水自交代模式图

然而，无论K是通过经典流体交代作用，还是通过研究团队提出的混杂岩脱水自交代作用进入岛弧岩浆，AOC都是产生重K同位素特征的关键。本研究表明，K同位素是示踪俯冲沉积物主导型岛弧岩浆源区再循环蚀变洋壳的有效工具。

论文第一/通讯作者为中国科学院海洋研究所陈祖兴副研究员，合作者包括美国华盛顿大学滕方振教授、Winnie X. Fan博士、黄天一博士，美国得克萨斯大学达拉斯分校Robert J. Stern教授，中国地质大学（北京）王泽洲教授，中国科学院海洋研究所张玉祥副研究员、王晓媛副研究员以及天津大学曾志刚教授。该研究得到了中国科学院海洋研究所自主部署、国家重点研发计划、国家和山东省自然科学基金等项目联合支持。

论文信息：

Zuxing Chen*, Fang-Zhen Teng, Winnie X. Fan, Robert J. Stern, Ze-Zhou Wang, Yuxiang Zhang, Tian-Yi Huang, Xiaoyuan Wang, Zhigang Zeng. Contributions of recycled altered oceanic crust to sediment-dominated arc magma sources revealed by potassium isotopes. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2025, https://doi.org/10.1016/j.gca.2025.11.025.

来源：中国科学研究院海洋研究所