近日，国际地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth（Nature Index）刊发了海洋所曾志刚课题组张玉祥副研究员与合作者的研究成果，揭示了俯冲蚀变洋壳对弧岩浆的影响，阐明了蚀变洋壳和蛇纹岩在俯冲脱水过程中的耦合关系。

蚀变洋壳广泛存在于大洋俯冲板片之上，其作为一种重要的俯冲组分，理论上对弧岩浆的化学组成具有重要的贡献。然而，由于蚀变洋壳既不像沉积物那样富集不相容微量元素，也不如蛇纹岩富集水等挥发分，在弧岩浆中识别出这一贡献并不容易。因此亟需寻找对蚀变洋壳敏感的示踪剂。近年来，一些学者尝试使用钡（Ba）同位素来示踪俯冲蚀变洋壳对弧岩浆的影响，原因是蚀变洋壳的Ba同位素整体上比地幔值重。然而，沉积物的Ba同位素表现出较大的变化范围，部分也具有较重的Ba同位素组成。因此，单一利用Ba同位素示踪会存在多解性的问题，需要结合其它指标。

关于蚀变洋壳化学组成的一个重要特征是Sr-Nd同位素发生解耦，即其相对于新鲜未蚀变的洋壳岩石具有更高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr，而¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd无明显变化，因此在Sr-Nd同位素图上，蚀变洋壳整体上偏离地幔序列。有意思的是，这种Sr-Nd同位素解耦的特征也广泛存在于洋内弧火山岩中（图1），于是前人将Sr-Nd同位素解耦作为俯冲蚀变洋壳贡献的指示。但是，需要排除沉积物熔体或流体加入对Sr-Nd同位素解耦的影响。

图1 弧火山岩的Sr-Nd同位素解耦与Ba/Th、Th/Yb相关图

本研究中，科研人员将Ba同位素与Sr-Nd同位素相结合，来示踪俯冲蚀变洋壳的贡献。首先，通过收集全球弧火山岩的Sr-Nd同位素及Ba、Th、Yb等微量元素组成，发现弧火山岩Sr-Nd同位素的解耦程度与Ba/Th呈正相关，与Th/Yb呈负相关（图1），证实弧火山岩Sr-Nd同位素解耦与沉积物的贡献无关。进一步，将Sr-Nd同位素与Ba同位素联合作图，发现马里亚纳、汤加及克马德克弧火山岩的Sr-Nd同位素解耦程度与Ba同位素也呈正相关（图2a-c），两者均指示俯冲蚀变洋壳的贡献，由此建立了俯冲蚀变洋壳、Sr-Nd同位素解耦及重Ba同位素之间的关联，为示踪俯冲蚀变洋壳对弧岩浆的影响提供了有效指标。此外，研究人员发现，在全球尺度上，弧火山岩的Sr-Nd同位素解耦程度与B同位素呈正相关（图2d），后者是俯冲蛇纹岩的有效示踪指标。因此，提出俯冲蚀变洋壳与蛇纹岩在板片俯冲脱水过程中具有耦合关系（图3），这对于理解俯冲带内的物质迁移规律有重要意义。

图2 弧火山岩的Sr-Nd同位素解耦与Ba、B同位素相关图

图3 俯冲蚀变洋壳与蛇纹岩耦合关系示意图

论文第一/通讯作者为中国科学院海洋研究所张玉祥副研究员，曾志刚研究员为共同通讯作者，合作者包括香港大学舒云超博士、澳大利亚麦考瑞大学Simon Turner教授、中国科学院海洋研究所陈祖兴副研究员及中国科学技术大学黄方教授。研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导专项等项目联合支持，所用样品依托“科学”号科考船采集。

论文信息：

Zhang,Y.,Shu,Y.,Turner,S.,Chen,Z.,Zeng,Z.,& Huang,F. (2024). Deciphering contribution of recycled altered oceanic crust to arc magmas using Ba-Sr-Nd isotopes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,129,e2023JB028407. 

https://doi.org/10.1029/2023JB028407.