岛弧是俯冲带元素迁移和物质循环的关键地带，其成因一直是俯冲带研究的前沿领域。人们普遍认为岛弧玄武岩是地幔楔水化熔融的产物，交代地幔楔的流体传统认为主要来自俯冲洋壳。然而俯冲洋壳在弧前深度已经脱去大部分水，所以洋壳不太可能是弧下深度流体的主要来源。因此，越来越多的研究认为俯冲蛇纹岩才是诱发岛弧岩浆作用的主要流体来源。尽管如此，准确示踪俯冲带蛇纹岩来源的流体仍面临着极大挑战，新兴的Mo同位素有望对此问题提供帮助。近年来蛇纹岩的Mo同位素有零星数据报道，但是人们对橄榄岩蛇纹岩化和蛇纹岩进变质脱水过程中Mo同位素分馏行为还未知，这就限制了利用Mo同位素来精确示踪岛弧岩浆地幔源区中俯冲蛇纹岩的贡献。
为了解决上述问题，开云手机版网页版青年教师代富强与中国科学技术大学和中国科学院广州地球化学研究所合作者合作。他们选择了全球范围内典型的一套从洋底形成的大洋蛇纹岩到代表俯冲带不同变质脱水阶段的变质蛇纹岩样品(图1)，对其进行系统的Mo同位素研究。
图1 蛇纹岩进变质矿物相图，五角星中数字代表本次研究样品的峰期P-T条件：1-South Sandwich海沟南端与转换断层交界处(SSTFZI)洋底蛇纹岩；2-意大利Erro Tobbio变蛇纹岩高压脉体；3-西班牙Cerro del Almirez绿泥石方辉橄榄岩及变蛇纹岩高压脉体；4-瑞士Cima di Gagnone地区绿泥石和石榴石变橄榄岩。
分析结果表明，大洋蛇纹岩、变蛇纹岩高压脉体和蛇纹岩脱水后形成的变橄榄岩具有变化且总体较高的Mo含量(0.02-3.16 ppm)，较低的Ce/Mo (0.10-23.98)和Ce/Pb (0.17-3.59)比值，基本上都具有重于亏损地幔的Mo同位素组成(δ98/95Mo = -0.26‰到1.84‰)，这些地球化学特征与榴辉岩相俯冲洋壳明显不同(图2)。
图2 本次研究涉及样品的Mo含量(a)和Ce/Mo比值(b)与Mo同位素图解。图中还展示了榴辉岩相变玄武岩和变沉积物以及亏损地幔(DM)的Mo含量(0.025 ppm)和Mo同位素组成(δ98/95Mo = -0.20‰ ± 0.01‰)。
研究发现，SSTFZI大洋蛇纹岩具有高Mo含量(0.10-0.39 ppm)，重Mo同位素组成(δ98/95Mo = -0.26‰到0.28‰)。结合近期文献中报道的西南印度洋脊蛇纹岩样品的Mo同位素数据(Mo含量：0.11-0.68 ppm, δ98/95Mo = -0.08‰到1.10‰)，认为这些蛇纹岩的高Mo含量是其原岩受到高Mo熔体交代的结果。大洋蛇纹岩的Mo同位素组成与其MgO含量存在弱的负相关关系，暗示着大洋蛇纹岩的重Mo同位素组成是蛇纹岩化过程导致的，蛇纹岩化程度越高，蛇纹岩的Mo同位素越重(图3)。
图3 本次研究涉及样品的MgO与δ98/95Mo(左)和Al2O3/SiO2与MgO/SiO2比值(右)协变图。
针对蛇纹岩进变质过程中Mo同位素变化，原岩经历过相似蛇纹岩化程度的变蛇纹岩样品的Mo同位素组成与SSTFZI大洋蛇纹岩类似，表明蛇纹岩脱水过程对其Mo同位素影响不明显(图4)。根据大洋蛇纹岩与东阿留申岛弧重Mo流体端元(来自俯冲蛇纹岩)的B/Mo比值差异以及B在蛇纹岩脱水过程中的活动性，推测变蛇纹岩脱水过程中Mo的分配系数可能与B类似(Dfluid/residual = 1~5)，暗示蛇纹岩脱出流体至少具有与变蛇纹岩类似的Mo含量(明显高于亏损地幔)且具有重Mo同位素组成。Erro-Tobbio和Cerro del Almirez的变蛇纹岩高压脉体也证实了蛇纹岩脱出流体具有重Mo同位素组成。俯冲蛇纹岩脱出流体交代或者蛇纹岩底劈上升熔融两种方式均可能显著影响弧下地幔的Mo同位素组成。经过两端元混合模拟计算，15%-50%的蛇纹岩组分(蛇纹岩或其释放流体)加入亏损地幔楔能很好地解释全球岛弧熔岩的低Ce/Mo、Ce/Pb比值和重Mo同位素组成特征。
图4 本次研究涉及样品的烧失量(LOI)与Mo同位素协变图解。阴影区域涵盖了原岩蛇纹岩化程度相似的样品。
同时，脱水后的变质蛇纹岩(变橄榄岩)依然含有很高的Mo含量和重Mo同位素组成，意味着俯冲蛇纹岩不仅能影响弧下地幔的Mo同位素组成，还能携带重Mo同位素信号进入深部对流地幔。因此，俯冲蛇纹岩可以作为板内玄武岩重Mo同位素的潜在端元。Mo同位素结合Ce/Mo比值可以作为区分再循环洋壳和蛇纹岩的鉴定性指标。俯冲蛇纹岩化大洋岩石圈可以平衡地幔中俯冲洋壳的轻Mo同位素贡献，俯冲大洋板片作为一个整体很可能具有与地幔接近的Mo同位素组成。这也能很好地解释为何地幔的Mo同位素组成自35亿年以来基本保持不变(未受板块构造启动的影响)。
图5 蛇纹岩、榴辉岩相变质洋壳和全球典型岛弧熔岩的Mo同位素与Ce/Mo (a)和Ce/Pb (b)比值协变图解
该研究首次系统揭示了橄榄岩洋底蛇纹岩化和大洋蛇纹岩在不同变质脱水阶段的Mo同位素组成和分馏行为，对理解俯冲带Mo同位素体系及全球Mo循环起到重要推动作用。相关成果近期以“Subducted serpentinite contributes to the formation of arc lavas with heavy Mo isotopic compositions”为题发表在国际著名地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。该成果为河海大学、中国科学技术大学和中国科学院广州地球化学研究所三方通力合作的结果。论文第一和通讯作者为代富强，合作者包括中国科学技术大学陈伊翔教授、陈仁旭教授、赵子福教授、广州地球化学研究所李杰高级工程师和王煜研究员。本研究得到了国家自然科学基金(42103012, 42073029, 42273043)、中央高校基本科研业务费(B210201050)和广州地化所同位素地球化学国家重点实验室开放基金(SKLaBIG-KF-22-01)的联合资助。
论文信息：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.
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703724000681.
