俯冲带是地表与深部碳交换的重要通道。原始弧岩浆的碳含量较高(3000 ppm–1.5 wt%),其中超过2/3来自俯冲碳酸盐的再循环,但其Mg同位素组成并未显示出应有的碳酸盐贡献。由于变质脱碳反应难以解释弧岩浆的高碳含量,板片脱水流体对沉积物和蚀变洋壳中碳酸盐的溶解被认为是俯冲带碳循环的关键过程。研究表明,冷俯冲带弧岩浆的碳通量显著高于热俯冲带,其机制在于:在冷俯冲带,弧下蛇纹石脱水释放大量流体,可溶解并携带碳酸盐进入岩浆源区;而在热俯冲带,弧前脱水作用较强,大部分碳提前释放,导致弧下板片流体释放相对有限,进入岩浆源区的碳较少。鉴于弧岩浆与弧前蛇纹岩在流体活性元素富集特征上的相似性,在解读弧岩浆地球化学特征时,需考虑俯冲板片在弧前脱碳过程中释放的流体与地幔楔底部橄榄岩的相互作用,并系统研究弧前橄榄岩的蛇纹石化、碳酸盐化及板片流体渗滤过程对俯冲带碳–镁循环的影响。
本研究选取秦岭勉略带内代表俯冲隧道不同深度折返的弧前蛇纹岩样品,开展单矿物及全岩Mg同位素分析。样品包括两类:(1)含菱镁矿的利蛇纹石蛇纹岩,其中部分样品经历了外来流体参与的蛇纹石相变(Lizardite + SiO₂,aq → Antigorite + H₂O),发育叶蛇纹石细脉;(2)来源于相对较深部位的含白云石的叶蛇纹石蛇纹岩。结果显示,蛇纹石普遍富集重Mg同位素(δ²⁶Mg值偏高),而碳酸盐矿物则偏轻,二者间的Mg同位素分馏与温度显著相关。基于蛇纹石-碳酸盐矿物分馏推算的温度与岩相学约束结果一致,表明这些蛇纹岩是板片来源的富CO₂流体与橄榄岩反应的产物(图1)。
图1 各类蛇纹岩全岩和单矿物的Mg同位素组成
在全岩尺度上,利蛇纹石蛇纹岩和叶蛇纹石蛇纹岩样品均表现出因MgO丢失导致的δ²⁶Mg升高现象(图1)。由于弧橄榄岩相对富SiO₂、贫Al₂O₃,无法像评估大洋板片蛇纹岩MgO丢失程度一样,直接使用相对MgO/SiO₂-Al₂O₃/SiO₂图上相对Terrestrial Array的偏离程度来估计弧前蛇纹岩的MgO丢失程度。为此,本研究采用“混合地幔楔”成分(HMW)为初始物,利用alphaMELTS软件模拟弧岩浆源区橄榄岩的MgO/SiO₂和Al₂O₃/SiO₂演化趋势,并根据样品相对模拟曲线的偏离程度定量估算MgO丢失量。结果显示,含白云石的叶蛇纹石蛇纹岩经历了更显著的MgO丢失(图2)。为探究MgO丢失机制,本研究利用EQ3/6软件模拟富CO₂流体-橄榄岩反应过程。模拟表明,在0.5 GPa、200-350°C条件下,当反应产物为"蛇纹石+碳酸盐矿物"组合时,仅有<0.1%的Mg进入流体相。这一结果排除了参与反应后的板片流体直接导致蛇纹岩Mg同位素变化的可能性。考虑到部分蛇纹岩经历了外来流体参与的相变过程,进一步的反应路径模拟和质量平衡计算证实:俯冲板片来源的富水流体对碳酸盐矿物的溶解可以合理解
释观测到的同位素分馏特征,且预测的残留碳酸盐比例与观测数据高度吻合。
图2 (a)弧前蛇纹岩、弧橄榄岩和研究区样品的MgO/SiO₂和Al₂O₃/SiO₂图; (b)弧前蛇纹岩的δ²⁶Mg和MgO/SiO2*
本研究揭示了弧前水-岩反应过程对俯冲带碳-镁循环的关键调控作用,具体表现为两种端元模式:(1)弧下板片表面温度(subarc slab-top temperature)接近叶蛇纹石稳定域的俯冲带:弧前脱碳效率较低,重Mg硅酸盐(蛇纹石、滑石等)生成有限;弧下深度叶蛇纹石脱水释放大量流体,携带较多溶解的碳酸盐进入岩浆源区;导致弧岩浆具有高CO₂通量和接近或略低于正常地幔的δ²⁶Mg值。(2)弧下板片表面温度超出叶蛇纹石稳定域的俯冲带:弧前脱水反应强烈,富CO₂流体与地幔楔反应形成大量重Mg硅酸盐和轻Mg碳酸盐(图3);这些含碳酸盐的蛇纹岩在随后的板片起源流体渗滤过程中因其中碳酸盐溶解迁移而导致岩石整体δ²⁶Mg显著升高;经历较强程度弧前脱水的板片在到达弧下时,可释放流体的量相对有限,故随流体进入弧岩浆源区的碳酸盐相对较少;弧前形成的富集重镁同位素的硅酸盐矿物脱水释放大量高δ²⁶Mg流体,从而导致这类俯冲带的弧岩浆
具有高δ²⁶Mg值和低CO₂通量。
图3 模拟的弧前橄榄岩和富CO2流体反应过程中体系中各相δ26Mg的变化
该成果以“Links between forearc decarbonation and generation of high δ26Mg fluids at subarc depths: constraints from carbonate-bearing forearc serpentinites”为题发表于国际著名地学期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》。西北大学地质学系吴凯副教授为论文第一作者及唯一通讯作者。论文链接:https://authors.elsevier.com/a/1lPX53p4Zc69