俯沖過程中，俯沖板片釋放不同俯沖組分交代地幔楔，造成地幔楔熔融，形成島弧巖漿作用，是地球殼幔物質(zhì)循環(huán)過程最重要的方式之一。不同俯沖帶氧化還原環(huán)境差別巨大，將造成俯沖組分成分上的極大差異。厘清俯沖帶氧化還原環(huán)境的差異性對理解殼幔物質(zhì)循環(huán)過程尤其是變價(jià)元素（C、S、Fe、Mo等）的循環(huán)機(jī)制具有重要的科學(xué)意義。然而，俯沖過程中產(chǎn)生的俯沖組分氧逸度復(fù)雜多變，揭示不同俯沖帶氧化還原環(huán)境的差異性一直是地球科學(xué)的難題之一。針對上述問題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地幔地球化學(xué)學(xué)科組于洋副研究員與黃小龍研究員及其合作者對東南亞蘇門答臘島弧玄武巖與弧后玄武巖（圖1）進(jìn)行了系統(tǒng)的B-Mo-Sr-Nd-Hf-Pb同位素分析，通過對比B-Mo同位素在俯沖過程中不同的同位素分餾行為，揭示不同俯沖帶氧化還原環(huán)境的差異性，并闡明其對俯沖帶殼幔物質(zhì)循環(huán)過程的重要作用。
圖1.東南亞巽他島弧火山與樣品分布圖
研究結(jié)果表明蘇門答臘島弧玄武巖（CAB）與弧后玄武巖（BAB）主要為拉斑玄武質(zhì)，具有較低的K 2O含量。島弧玄武巖與弧后玄武巖均富集輕稀土元素，具有低Ba/La與高La/Yb比的特征（圖2），表明其地幔源區(qū)較少受流體交代，而主要受來自俯沖板片的熔體交代。島弧玄武巖與弧后玄武巖具有相似的Mo同位素組成，且其δ 98/95Mo整體比鄰近爪哇島弧玄武巖更重（Yu et al., 2022），結(jié)合其相對富集的Nd同位素組成，表明其地幔源區(qū)主要受來自俯沖陸源碎屑沉積物的熔體交代（圖2）。地球物理資料顯示位于Toba火山下的俯沖板片發(fā)生了板片撕裂，并導(dǎo)致了軟流圈地幔沿板片窗的上涌（圖3），造成了板片窗附近俯沖沉積物發(fā)生了強(qiáng)烈的熔融（圖3）。大量俯沖沉積物熔體的加入導(dǎo)致Toba玄武巖具有極度富集的放射性成因同位素組成（圖2）。
圖2. 蘇門答臘島弧玄武巖與弧后玄武巖Ba/La與La/Yb及δ 98/95Mo與ε Nd關(guān)系圖
圖3. 蘇門答臘島俯沖板片結(jié)構(gòu)與俯沖沉積物熔融沿弧變化趨勢模型圖
通過對島弧玄武巖與弧后玄武巖的B同位素分析，發(fā)現(xiàn)弧后玄武巖的B同位素組成（δ 11B = -9.0‰ to -7.3‰）輕于島弧玄武巖（δ 11B =-7.0‰ to +0.17‰；圖4），反映了俯沖沉積物在多階段脫水與熔融過程中發(fā)生了顯著的B同位素分餾。然而，蘇門答臘島弧玄武巖（δ 98/95Mo =-0.21‰ to -0.01‰）與弧后玄武巖（δ 98/95Mo = -0.17‰ to -0.08‰）相似的Mo同位素組成則表明Mo同位素在俯沖過程中未發(fā)生顯著分餾（圖4）。與B同位素不同，Mo同位素的分餾受俯沖過程中氧化還原環(huán)境的影響。模擬結(jié)果顯示低氧逸度（fO 2<FMQ+2）會(huì)降低Mo的活動(dòng)性，并抑制Mo同位素分餾行為；而在高氧逸度條件下（fO 2>FMQ+2），Mo的活動(dòng)性會(huì)發(fā)生明顯上升，并導(dǎo)致顯著的Mo同位素分餾行為（圖5）。蘇門答臘島弧玄武巖具有相對較低的V/Yb比值，表明加入到其地幔源區(qū)的俯沖組分可能產(chǎn)生于氧逸度fO 2<FMQ+1.5的條件下，導(dǎo)致Mo同位素未發(fā)生明顯分餾（圖5）。Mariana島弧玄武巖具有與蘇門答臘島弧玄武巖相似的低V/Yb的特征，指示加入到其地幔源區(qū)的俯沖組分也可能產(chǎn)生于fO 2<FMQ+2的條件下，所以其B同位素組成隨著俯沖深度（H）的增加而逐漸變輕，但是Mo同位素則保持不變，顯示了低氧逸度下B-Mo同位素不同的分餾行為。Mariana弧后玄武巖具有比島弧玄武巖更輕的Mo同位素組成，則可能反映了隨著俯沖深度的增加，俯沖過程中氧化還原環(huán)境的變化。另一方面，Izu島弧玄武巖具有高V/Yb比的特征，其B-Mo同位素組成在穿弧方向上均具有變輕趨勢（圖4），顯示了Mo同位素在高氧逸度（fO 2>FMQ+3）條件下會(huì)發(fā)生與B同位素相似的同位素分餾行為（圖5）。因此，B-Mo同位素不同的分餾行為反映了俯沖帶氧化還原環(huán)境的差異性，并導(dǎo)致不同的殼幔物質(zhì)循環(huán)過程。
圖4. 蘇門答臘島、Mariana島弧與Izu島弧玄武巖與弧后玄武巖B-Mo同位素隨俯沖深度變化趨勢圖，H代表火山至俯沖板片表面的深度。
圖5. 蘇門答臘島弧玄武巖與弧后玄武巖δ 98/95Mo與Ce/Mo及V/Yb與Nb/Yb關(guān)系圖
該研究主要受國家自然科學(xué)基金（41890812, 42273046）與南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)（GML2019ZD0202）資助，已發(fā)表于國際期刊《Chemical Geology》。
論文信息：Yu Yang (于洋), Huang Xiao-Long* (黃小龍), Lai Yu-Ming (賴昱銘), Li Jie (李杰), Xu Yi-Gang (徐義剛), Chung Sun Lin (鐘孫霖), Iwan Setiawan, Yang Fan (楊帆), 2023. Different B-Mo isotopic fractionation processes controlled by redox conditions in the subduction zone. Chemical Geology, 636, 121646.
相關(guān)文獻(xiàn)：Yu Yang, Huang Xiao-Long*, Chung Sun Lin, Li Jie, Lai Yu-Ming, Iwan Setiawan, Sun Min, 2022. Molybdenum isotopic constraint from Java on slab inputs to subduction zone magmatism. Geochimica et Cosmochimica Acta, 332(1), 1-18.
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