中国科大揭示岛弧重镁同位素成因与俯冲带水循环之谜

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授课题组利用第一性原理计算方法，对俯冲大洋板片脱水过程中的镁同位素分馏机制进行了深入研究，发现俯冲大洋板片脱水可以解释不同俯冲带地区岛弧岩浆的镁同位素组成特征，为理解俯冲带的温度结构以及深部水循环提供了新的认识。相关研究成果以“Heavy magnesium isotopic signatures in arc lavas may be attributed to dehydration of subducting hydrated mantle”为题，发表在地球科学领域国际权威学术期刊Communications Earth & Environment上。

大洋板片包括岩石圈地幔、洋壳以及上覆沉积物三层。在俯冲带，俯冲大洋板片可以携带大量水进入地球内部。随着深度的增加，温度和压强逐渐升高，俯冲板片可能发生脱水，并释放流体进入上覆地幔楔。这些流体可以改变地幔楔的物质组成，降低岩石的熔点，从而引发部分熔融，形成岛弧岩浆。了解俯冲板片释放流体的性质对于理解地幔的不均一性、岛弧岩浆组成以及深部水循环都具有重要意义。

镁(Mg) 是地球基本组成元素之一，在地幔橄榄岩中含量很高，在洋壳中含量较低，且具有较强的流体活动性。因此，镁同位素可用于示踪俯冲大洋地幔释放的流体，为研究俯冲带深部水循环提供了一种有效研究手段。然而，俯冲板片内含水地幔橄榄岩脱水过程中的镁同位素分馏机制尚不清楚。

研究团队通过第一性原理计算确定了流体与含水矿物以及地幔硅酸盐矿物间的镁同位素平衡分馏系数。结果显示，含水地幔橄榄岩脱水过程中释放的流体相较于地幔硅酸盐矿物富集重镁同位素。这些高镁含量且富集重镁同位素的流体进入地幔楔导致在多个俯冲带观测到的岛弧岩浆重镁同位素异常。进一步研究表明，不同俯冲带地区岛弧岩浆中镁同位素组成的变化可能与其下俯冲板片中脱水机制有关，而脱水机制又受各自俯冲带温度结构的控制。因此，镁同位素可以作为识别来自俯冲大洋地幔的流体的有效示踪剂，并为探索各种俯冲带的温度结构提供了一种新的工具。

图1. (a) 地幔含水矿物的相图，点表示不同俯冲带地区岛弧下方俯冲板片莫霍面的温压条件；(b) 不同俯冲带地区岛弧岩浆的镁同位素组成特征；(c-d) 俯冲大洋地幔脱水释放流体可以产生岛弧岩浆重镁同位素异常。 

论文第一作者为邓忻博士，通讯作者为吴忠庆教授。合作者包括中国科学技术大学陈伊翔教授、王文忠教授、肖子聪博士以及国家超级计算成都中心李永辉博士。中国科大为该论文第一单位。该项研究受到国家自然科学基金项目以及中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。计算工作主要在中国科大超级计算中心和合肥先进计算中心的超级计算机上进行。

论文信息：

Deng, Xin; Chen,Yi-Xiang; Wang, Wenzhong; Li, Yonghui; Xiao, Zicong; Wu, Zhongqing. (2024) Heavy magnesium isotopic signatures in arc lavas may be attributed to dehydration of subducting hydrated mantle, Communications Earth & Environment, 5, 299.

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s43247-024-01466-9