初始俯沖過程中流體活動的記錄及意義：來自Troodos蛇綠巖洋殼序列鉀同位素的證據 |潘旗旗等-GCA

初始俯沖是俯沖帶形成的最初階段，標志著兩個板塊相互作用的開始。初始俯沖過程中廣泛發育的含水熔/流體活動對俯沖帶的物質組成、結構演化和動力學過程產生了深遠影響。因此深入理解初始俯沖過程中釋放含水熔/流體的性質及其與上覆地幔楔之間的相互作用機制，對于認識全球物質循環至關重要。

塞浦路斯Troodos蛇綠巖保存了完整的蛇綠巖巖石序列，被認為是特提斯洋初始俯沖階段的產物，是研究俯沖起始和熔/流體-巖石相互作用的理想樣品。中國科學院地質與地球物理研究所的博士研究生潘旗旗與導師肖燕副研究員及其合作者，對Troodos蛇綠巖洋殼序列的枕狀熔巖、輝綠巖、輝長巖和斜長花崗巖等50個樣品開展了巖石學、元素地球化學和K同位素分析。結果顯示，這些巖石具有異常重的K同位素特征（圖1），輝長巖和斜長花崗巖K同位素變化范圍較小，分別為0.01 ~ 0.20‰和?0.17 ~ 0.02‰；輝綠巖的δ41K值有較大的變化范圍（?0.24 ~ 1.13‰）；下部枕狀熔巖和上部枕狀熔巖的δ41K值分別為?0.26 ~ ?0.07‰和?0.71 ~ 0.34‰。

圖1 Troodos蛇綠巖洋殼序列樣品的K同位素組成

除4個樣品外，大多樣品的K2O和燒失量與經歷過低溫蝕變的樣品存在顯著差異，且其K同位素組成明顯重于后者（圖2a、圖2b）。這表明低溫蝕變對K同位素的影響可以忽略不計。這些樣品的K同位素組成明顯重于俯沖沉積物和蝕變洋殼（?1.64 ~ ?0.05‰），排除了地殼物質直接加入的可能性。其K同位素組成與MgO含量和K/Ti比值之間不存在相關性（圖2c、圖2d），排除了分離結晶對樣品K同位素組成的影響。同時，相對于前弧和后弧巖漿巖，這些樣品具有更高的K/Th、K/U 和 Sr/Th 比值（圖3a-c），結合二元混合模型計算結果（圖3d），揭示了Troodos蛇綠巖洋殼序列異常重的K同位素組成來源于初始俯沖過程中板片脫水流體加入其巖漿源區。

圖2 Troodos 蛇綠巖洋殼序列樣品δ41K值與 (a) K2O、(b) LOI、(c) K/Ti 和 (d) MgO的相關性圖解

圖3 Troodos 蛇綠巖洋殼序列樣品δ41K值與(a) K/Th、(b) K/U、(c) Sr/Th 和 (d)Ba/Th 的相關性圖解

Troodos蛇綠巖中的重K同位素特征反映了新形成的俯沖系統中，板塊在淺部脫水過程中K同位素的分餾，此時重K同位素優先進入含水流體。隨著俯沖深度的增加，含K礦物相開始分解，逐漸形成K同位素相對較輕的含水熔體，這解釋了島弧地區相對較輕的K同位素特征（圖4）。初始俯沖過程含水熔/流體成分的演化導致了橫向剖面上從蛇綠巖到前弧、后弧逐漸變輕的K同位素特征。因此，俯沖帶作用如同地球化學過濾器，通過產生脫水熔/流體和同位素被改造的板片，前者向上遷移，改變上覆巖石成分，后者則進入深部地幔，影響地幔的長期地球化學演化。

圖4 (a) 伊豆后弧和馬提尼克弧巖漿巖、(b)伊豆前弧巖漿巖和 (c) Troodos蛇綠巖洋殼序列樣品的K同位素直方圖和概率密度分布以及 (d) 俯沖過程 K 同位素系統模型圖

研究成果發表于國際學術期刊GCA（潘旗旗，肖燕，蘇本勛，Paul T. Robinson，李文君，王靜，劉霞. Tracing material transport during subduction inception: Insights from potassium isotopes in the crustal sequence of the Troodos ophiolite [J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 2024, 373: 259-270. DOI:10.1016/j.gca.2024.04.005.）。研究受到國家自然科學基金（42350001）和第二次青藏高原科學考察與研究計劃項目（STEP）（2019QZKK0801）資助。

編輯：劉強