海洋所等揭示地幔楔蛇纹石化过程的显著铁同位素分馏

近日，中国科学院海洋研究所孙卫东课题组在Earth and Planetary Science Letters上发表了关于马里亚纳俯冲带弧前地幔楔蛇纹岩铁同位素的研究成果。该研究揭示了地幔楔蛇纹石化过程中显著的地幔氧化及铁同位素分馏现象，并探讨其机制以及对岛弧地幔楔氧逸度、岛弧岩浆岩铁同位素组成的意义。

蛇纹岩广泛存在于大洋岩石圈中，是俯冲带水和挥发物元素的主要载体，对俯冲带水循环和地幔氧逸度变化起着重要作用。前人研究表明，蛇纹岩作为蚀变大洋岩石圈主要的Fe3+载体，在俯冲过程中脱水释放富铁流体，进而可以影响地幔楔及其所产生的岛弧岩浆的氧逸度和铁（Fe）同位素组成。此外，俯冲板块脱水释放的流体也会导致上覆的地幔楔发生蛇纹石化，形成地幔楔蛇纹岩。这些地幔楔蛇纹岩也可能在俯冲带水循环、地幔氧化和岛弧岩浆产生过程中发挥重要作用。然而，由于先前的研究普遍认为，橄榄岩蛇纹石化过程中铁不容易活动，也不会发生显著Fe同位素分馏，这也导致地幔楔蛇纹岩在地幔氧逸度演化及岛弧岩浆形成过程中的重要性一直被低估。

针对以上问题，研究团队选取了IODP 366航次钻探获得的马里亚纳俯冲带弧前地幔楔蛇纹岩/蛇纹石化橄榄岩作为研究对象，研究其Fe同位素组成、Fe3+/ΣFe比值及挥发性元素含量，以此来揭示地幔楔蛇纹石化过程中的铁氧化及铁同位素分馏过程，进而对地幔楔氧逸度以及岛弧岩浆岩铁同位素组成提供启示。

研究结果显示，这些地幔楔蛇纹岩发生了高度蛇纹石化至完全蛇纹石化，同时具有高的Cl和SO3含量。并且随着蛇纹石化程度增加，Cl和SO3含量均有增加的趋势。这些蛇纹岩的橄榄岩原岩十分亏损，但其Fe同位素组成却总体偏重（δ56Fe, -0.01–0.15‰）（图1），明显高于橄榄岩原岩，说明地幔楔蛇纹石化过程发生了明显的Fe同位素分馏作用，导致蛇纹岩的Fe同位素逐渐变重（δ56Fe增加）。这些蛇纹岩的Fe同位素组成(δ56Fe)、Fe3+/ΣFe与烧失量、Cl和SO3含量均表现出明显相关性（图2），结合其全岩Fe含量随烧失量升高轻微降低的特征，指示弧前地幔楔在富氯/硫酸根板片流体不断蛇纹石化的过程中发生了Fe2+的丢失以及显著的Fe同位素分馏。也就是说，具有轻Fe同位素组成的Fe2+随渗滤板片流体不断流失，导致残留的蛇纹岩Fe同位素组成变重，同时Fe3+/ΣFe比值升高。马里亚纳弧前地幔楔蛇纹岩的高Fe3+/ΣFe比值介于磁铁矿和赤铁矿之间，结合其高的SO3含量（图2），指示弧前蛇纹石化地幔楔具有很高的氧逸度。这样高氧逸度的弧前地幔楔蛇纹岩可沿俯冲隧道被俯冲板片拖拽到弧下地幔深度并分解释放氧化性流体，对岛弧岩浆的氧逸度产生重要影响。

该研究的重要性在于发现了地幔楔蛇纹石化过程中显著的地幔氧化及Fe同位素分馏现象。基于以上结果，研究人员提出在俯冲带地幔楔底部的成熟蛇纹岩可以作为过滤层固定富重铁同位素的Fe3+，并释放轻铁同位素的Fe2+进入渗滤的板片流体（图3）。这些流体随后可迁移至上部地幔楔甚至地幔熔融区，进而影响岛弧岩浆的产生。这对于岛弧岩浆氧逸度及Fe同位素组成具有重要意义，即地幔楔蛇纹石化过程以及随后的一些地质过程（地幔楔蛇纹岩俯冲分解脱水）可能会导致岛弧地幔逐渐氧化并富集轻Fe同位素，这样的岛弧地幔部分熔融就会产生具有轻Fe同位素组成的氧化性岛弧岩浆。

该研究由海洋所与中国地质大学（北京）、中国科学技术大学合作完成。研究工作得到了中国大洋发现计划、中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金、青岛海洋科学与技术试点国家实验室鳌山科技创新计划等资助。

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图1 马里亚纳弧前地幔楔蛇纹岩δ56Fe与橄榄岩原岩富集程度指数相关性图

图2 马里亚纳弧前地幔楔蛇纹岩铁同位素(δ56Fe)、Fe3+/ΣFe比值随Cl、SO3含量变化特征

图3 马里亚纳弧前地幔楔蛇纹石化过程及蛇纹岩“过滤”板片流体铁同位素模型

来源： 海洋研究所