中国科大在利用Fe同位素示踪俯冲带 深部流体性质方面取得重要进展

近日，我校地球和空间科学学院郑永飞院士团队陈伊翔特任教授在俯冲带深部流体中Fe的迁移行为和氧化还原性质方面取得重要进展，相关工作已发表在地球化学领域顶尖期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。论文第一作者为陈伊翔特任教授，陈伊翔和中国地质大学(北京)何永胜副教授为该文章的共同通讯作者。

板块构造和俯冲带的存在是地球区别于太阳系内其它固态行星的重要标志之一。俯冲带是连接地球表生圈层和深部圈层的关键纽带。俯冲带中发生的流体活动及相应的地球化学分异和物质传输对理解岛弧火山作用、地幔不均一性以及地球壳幔系统的长期化学演化等诸多关键科学问题都具有重要意义。氧化还原敏感元素(Fe、C和S等)在俯冲板片和地幔楔之间的化学传输极大改变地幔楔和弧岩浆的氧化还原状态，进而影响俯冲带金属元素的迁移富集和成矿作用，因而是国际学术界研究的热点和前沿。然而，由于地质流体的复杂性，目前对Fe在俯冲带中的运移方式和俯冲带流体的氧化还原状态的认识仍极其有限。

针对这个问题，该团队选取了意大利西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体的白片岩进行研究。在这些岩石中，人类最早发现了柯石英这种指示超高压变质的矿物，揭开了大陆深俯冲和超高压变质作用研究的序幕，并极大推动了大陆动力学的发展。因此，这些岩石受到了国际学术界的广泛关注。该团队的前期工作结合Mg和O同位素以及锆石微区分析，查明了白片岩的原岩为变花岗岩，厘清了35年以来关于其原岩性质的争议，同时发现了白片岩具有全球高温岩石中最重的Mg同位素组成(δ26Mg高达0.75‰)，率先揭示了俯冲带地幔楔富滑石蛇纹岩脱水反向交代深俯冲陆壳的独特地质现象，建立了利用Mg同位素示踪俯冲带蛇纹岩来源流体活动的新思路。这些成果已分别于2016和2017年发表在地球科学顶级期刊(Earth and Planetary Science Letters 456, 157-167; Chemical Geology 467, 177-195)。

近期该团队针对白片岩Fe同位素的分析结果揭示，其具有全球高温岩石中最重的Fe同位素组成(δ56Fe高达1.22‰)。其Fe同位素组成明显不符合火成岩的岩浆演化趋势，指示了俯冲带流体交代过程的影响(图1)。全岩FeOt含量和Fe3+/∑Fe数据指示，交代过程中原岩变花岗岩总Fe含量和Fe3+/∑Fe比值都显著降低，但Fe同位素组成显著变重(图1)。

图1西阿尔卑斯造山带白片岩(红色)和变花岗岩(蓝色)Fe同位素组成与全岩Fe含量之间的关系

Fe同位素结果指示在流体交代过程中Fe的活动以Fe2+为主，同位素分馏模拟揭示其种型主要为Fe(II)-Cl和Fe(II)-(HS)络合物。这些结果表明俯冲带深部流体局部应为高盐度、HS-存在的还原性流体，与前人的岩石学观察一致。这与前人普遍认为的俯冲带深部流体具有高氧化性特征显著不同。该团队根据西阿尔卑斯造山带的构造演化特征，进一步提出了大陆俯冲隧道中俯冲板片-地幔楔界面流体交代过程中Fe迁移的构造模型(图2)。总之，这项成果提供了利用Fe同位素示踪俯冲带深部流体性质的新思路和典型案例，揭示了俯冲带深部局部相对还原性流体的存在，对理解弧岩浆和地幔楔的氧化还原状态和Fe同位素体系都具有重要意义。

图2俯冲带深部流体运移过程中Fe活动性示意图

审稿人对该研究成果给予了高度评价，认为：“总之，我认为这项工作是研究俯冲过程中地质储库之间氧化还原能力交换的一个里程碑”(Overall, I think this manuscript provides another milestone in the way to understand exchange of oxidising potential among geological reservoirs during subduction processes)；“作者详尽的研究为俯冲带交代作用提供了独特视角”(The authors demonstrate a comprehensive study that provides a unique perspective of subduction fluid metasomatism processes)。

该系列工作得到国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家科技部973计划、国家自然科学基金委、中科院青年创新促进会和中央高校业务基金的资助。

论文链接：[color=rgb(255, 102, 0) !important]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703719305964

（地球和空间科学学院、科研部）