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(jù) |潘旗旗等-GCA

初始俯沖是俯沖帶形成的最初階段，標(biāo)志著兩個板塊相互作用的開始。初始俯沖過程中廣泛發(fā)育的含水熔/流體活動對俯沖帶的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)演化和動力學(xué)過程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(zhì)及其與上覆地幔楔之間的相互作用機(jī)制，對于認(rèn)識全球物質(zhì)循環(huán)至關(guān)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(rèn)為是特提斯洋初始俯沖階段的產(chǎn)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(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的博士研究生潘旗旗與導(dǎo)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(xué)、元素地球化學(xué)和K同位素分析。結(jié)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(jīng)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(jì)。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(zhì)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(guān)性（圖2c、圖2d），排除了分離結(jié)晶對樣品K同位素組成的影響。同時(shí)，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(jié)合二元混合模型計(jì)算結(jié)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(qū)。

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(guān)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(guān)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(tǒng)中，板塊在淺部脫水過程中K同位素的分餾，此時(shí)重K同位素優(yōu)先進(jìn)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(qū)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(dǎo)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(xué)過濾器，通過產(chǎn)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(jìn)入深部地幔，影響地幔的長期地球化學(xué)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(tǒng)模型圖

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)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(xué)基金（42350001）和第二次青藏高原科學(xué)考察與研究計(jì)劃項(xiàng)目（STEP）（2019QZKK0801）資助。

編輯：劉強(qiáng)