海洋所研究揭示弧前蛇纹岩可以俯冲进入弧下地幔
时间 : 2021-11-17     
近日,国际地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid EarthNature Index刊物)在线刊发了中科院海洋所曾志刚团队与天津大学陈玖斌团队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合作成果,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(CsRbSrBaPbLi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。


不同岩石(a)及潜在的俯冲组分(bZn同位素组成

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。综合前人数据,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。


Zn络合物不同温度下的简约配分函数比(a);弧前蛇纹岩脱水理论模拟(b

为了验证这一科学推论,团队分析了“科学”号科考船采集自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 /86SrBa/La)以及板片俯冲深度具有很好的相关性。


δ66Zn87Sr /86Sr及板片深度之间的关系(a-b);马里亚纳和琉球俯冲带热结构及蛇纹岩稳定域(c

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 km,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MORBZn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。


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

论文第一作者为中国科学院海洋研究所陈祖兴博士,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。

论文信息:Zuxing Chen, Jiubin Chen, Zhigang Zeng, Landry Soh Tamehe, Ting Zhang, Yuxiang Zhang, Xuebo Yin, Xiaoyuan Wang, Shuai Chen, Wangcai Shuai. Zinc isotopes of the Mariana and Ryukyu arc-related lavas reveal recycling of forearc serpentinites into the subarc mantle. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021. https://doi.org/10.1029/2021JB022261.

(文章来源于海洋所官网,“科学”号信息员封婧改编提供)