島弧是俯沖帶元素遷移和物質循環的關鍵地帶，其成因一直是俯沖帶研究的前沿領域。人們普遍認為島弧玄武岩是地幔楔水化熔融的産物，交代地幔楔的流體傳統認為主要來自俯沖洋殼。然而俯沖洋殼在弧前深度已經脫去大部分水，所以洋殼不太可能是弧下深度流體的主要來源。因此，越來越多的研究認為俯沖蛇紋岩才是誘發島弧岩漿作用的主要流體來源。盡管如此，準确示蹤俯沖帶蛇紋岩來源的流體仍面臨着極大挑戰，新興的Mo同位素有望對此問題提供幫助。近年來蛇紋岩的Mo同位素有零星數據報道，但是人們對橄榄岩蛇紋岩化和蛇紋岩進變質脫水過程中Mo同位素分餾行為還未知，這就限制了利用Mo同位素來精确示蹤島弧岩漿地幔源區中俯沖蛇紋岩的貢獻。
為了解決上述問題，伟德国际1916备用网址青年教師代富強與中國科學技術大學和中國科學院廣州地球化學研究所合作者合作。他們選擇了全球範圍内典型的一套從洋底形成的大洋蛇紋岩到代表俯沖帶不同變質脫水階段的變質蛇紋岩樣品(圖1)，對其進行系統的Mo同位素研究。
圖1 蛇紋岩進變質礦物相圖，五角星中數字代表本次研究樣品的峰期P-T條件：1-South Sandwich海溝南端與轉換斷層交界處(SSTFZI)洋底蛇紋岩；2-意大利Erro Tobbio變蛇紋岩高壓脈體；3-西班牙Cerro del Almirez綠泥石方輝橄榄岩及變蛇紋岩高壓脈體；4-瑞士Cima di Gagnone地區綠泥石和石榴石變橄榄岩。
分析結果表明，大洋蛇紋岩、變蛇紋岩高壓脈體和蛇紋岩脫水後形成的變橄榄岩具有變化且總體較高的Mo含量(0.02-3.16 ppm)，較低的Ce/Mo (0.10-23.98)和Ce/Pb (0.17-3.59)比值，基本上都具有重于虧損地幔的Mo同位素組成(δ98/95Mo = -0.26‰到1.84‰)，這些地球化學特征與榴輝岩相俯沖洋殼明顯不同(圖2)。
圖2 本次研究涉及樣品的Mo含量(a)和Ce/Mo比值(b)與Mo同位素圖解。圖中還展示了榴輝岩相變玄武岩和變沉積物以及虧損地幔(DM)的Mo含量(0.025 ppm)和Mo同位素組成(δ98/95Mo = -0.20‰ ± 0.01‰)。
研究發現，SSTFZI大洋蛇紋岩具有高Mo含量(0.10-0.39 ppm)，重Mo同位素組成(δ98/95Mo = -0.26‰到0.28‰)。結合近期文獻中報道的西南印度洋脊蛇紋岩樣品的Mo同位素數據(Mo含量：0.11-0.68 ppm, δ98/95Mo = -0.08‰到1.10‰)，認為這些蛇紋岩的高Mo含量是其原岩受到高Mo熔體交代的結果。大洋蛇紋岩的Mo同位素組成與其MgO含量存在弱的負相關關系，暗示着大洋蛇紋岩的重Mo同位素組成是蛇紋岩化過程導緻的，蛇紋岩化程度越高，蛇紋岩的Mo同位素越重(圖3)。
圖3 本次研究涉及樣品的MgO與δ98/95Mo(左)和Al2O3/SiO2與MgO/SiO2比值(右)協變圖。
針對蛇紋岩進變質過程中Mo同位素變化，原岩經曆過相似蛇紋岩化程度的變蛇紋岩樣品的Mo同位素組成與SSTFZI大洋蛇紋岩類似，表明蛇紋岩脫水過程對其Mo同位素影響不明顯(圖4)。根據大洋蛇紋岩與東阿留申島弧重Mo流體端元(來自俯沖蛇紋岩)的B/Mo比值差異以及B在蛇紋岩脫水過程中的活動性，推測變蛇紋岩脫水過程中Mo的分配系數可能與B類似(Dfluid/residual = 1~5)，暗示蛇紋岩脫出流體至少具有與變蛇紋岩類似的Mo含量(明顯高于虧損地幔)且具有重Mo同位素組成。Erro-Tobbio和Cerro del Almirez的變蛇紋岩高壓脈體也證實了蛇紋岩脫出流體具有重Mo同位素組成。俯沖蛇紋岩脫出流體交代或者蛇紋岩底劈上升熔融兩種方式均可能顯著影響弧下地幔的Mo同位素組成。經過兩端元混合模拟計算，15%-50%的蛇紋岩組分(蛇紋岩或其釋放流體)加入虧損地幔楔能很好地解釋全球島弧熔岩的低Ce/Mo、Ce/Pb比值和重Mo同位素組成特征。
圖4 本次研究涉及樣品的燒失量(LOI)與Mo同位素協變圖解。陰影區域涵蓋了原岩蛇紋岩化程度相似的樣品。
同時，脫水後的變質蛇紋岩(變橄榄岩)依然含有很高的Mo含量和重Mo同位素組成，意味着俯沖蛇紋岩不僅能影響弧下地幔的Mo同位素組成，還能攜帶重Mo同位素信号進入深部對流地幔。因此，俯沖蛇紋岩可以作為闆内玄武岩重Mo同位素的潛在端元。Mo同位素結合Ce/Mo比值可以作為區分再循環洋殼和蛇紋岩的鑒定性指标。俯沖蛇紋岩化大洋岩石圈可以平衡地幔中俯沖洋殼的輕Mo同位素貢獻，俯沖大洋闆片作為一個整體很可能具有與地幔接近的Mo同位素組成。這也能很好地解釋為何地幔的Mo同位素組成自35億年以來基本保持不變(未受闆塊構造啟動的影響)。
圖5 蛇紋岩、榴輝岩相變質洋殼和全球典型島弧熔岩的Mo同位素與Ce/Mo (a)和Ce/Pb (b)比值協變圖解
該研究首次系統揭示了橄榄岩洋底蛇紋岩化和大洋蛇紋岩在不同變質脫水階段的Mo同位素組成和分餾行為，對理解俯沖帶Mo同位素體系及全球Mo循環起到重要推動作用。相關成果近期以“Subducted serpentinite contributes to the formation of arc lavas with heavy Mo isotopic compositions”為題發表在國際著名地學期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。該成果為河海大學、中國科學技術大學和中國科學院廣州地球化學研究所三方通力合作的結果。論文第一和通訊作者為代富強，合作者包括中國科學技術大學陳伊翔教授、陳仁旭教授、趙子福教授、廣州地球化學研究所李傑高級工程師和王煜研究員。本研究得到了國家自然科學基金(42103012, 42073029, 42273043)、中央高校基本科研業務費(B210201050)和廣州地化所同位素地球化學國家重點實驗室開放基金(SKLaBIG-KF-22-01)的聯合資助。
論文信息：Dai, F.-Q.*, Chen, Y.-X., Chen, R.-X., Zhao, Z.-F., Li, J., Wang, Y., 2024. Subducted serpentinite contributes to the formation of arc lavas with heavy Mo isotopic compositions. Geochimica et Cosmochimica Acta 369, 62-70, doi: 10.1016/j.gca.2024.01.033.
論文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703724000681.
