大量研究表明，弧岩浆具有比洋中脊岩浆更高的氧逸度，可能与氧化性的俯冲组分的输入有关，但是尚不清楚何种俯冲组分对弧岩浆氧逸度起控制作用。蛇纹岩富含水、卤素、稀有气体及多种微量元素，是俯冲带流体的重要来源，在全球地球化学循环中扮演着极为重要的角色。近年来，许多研究指出蛇纹岩脱水能释放高度氧化的流体，可以解释弧岩浆较高的氧逸度。但也有****反对该观点，认为蛇纹岩流体不是氧化性的，甚至有可能是还原性的。
为了探究俯冲蛇纹岩与弧岩浆氧逸度之间是否存在关联，曾志刚研究团队试图从全球俯冲带数据寻找答案。研究人员发现，氧逸度对弧岩浆中铜（Cu）的行为具有重要影响，因此利用岩浆演化过程中Cu的富集/亏损程度（△Cu）作为岩浆氧逸度的指示指标。此外，还采用实验岩石学获得另一氧逸度指标—V/Yb。钒（V）是变价元素，具有氧化还原敏感性，而镱（Yb）则没有，并且V/Yb不受地幔部分熔融程度和地幔亏损程度的影响，这一点要优于V/Ti（钛）。研究人员利用硼同位素（δ11B）和B/Nb（铌）比值作为俯冲蛇纹岩的指示剂，探讨其与氧逸度指标（△Cu、V/Yb）之间的关系，发现两种指标在全球尺度上呈现良好的正相关关系，说明俯冲蛇纹岩对弧岩浆氧逸度具有重要的影响。需要注意的是，该研究没有排除蚀变洋壳的贡献，也没有完全证明蛇纹岩流体是氧化性的，因为最新研究表明，单纯水的加入也可能引起地幔楔的氧化。
Cu含量与MgO含量相关图解
弧岩浆氧逸度指标与俯冲蛇纹岩指标相关图解
该研究的另一个重要发现是，全球原始弧岩浆的氧逸度可能不是均一的，大陆弧岩浆可能比洋内弧岩浆具有更低的氧逸度。蛇纹岩脱水受控于温度、压力等条件，亦即受控于俯冲板片的角度、温度、沟弧距离等参数。大陆弧下的俯冲板片年轻、温度高、俯冲角度小，而且沟弧距离较远，因此蛇纹岩可能在板片俯冲过程的早期就释放了氧化性流体，导致真正进入弧下地幔的氧化性物质很少，对弧岩浆源区的氧化作用有限，洋内弧则相反。事实上，俯冲蛇纹岩可能只是弧岩浆氧逸度的一级控制因素，地幔不均一性、俯冲沉积物输入、岩浆演化、地壳混染等过程都可能影响到弧岩浆的氧化还原状态，特别是在具有巨厚地壳的大陆弧，岩浆演化过程复杂，从火山岩获取的氧逸度数据能否有效代表原始岩浆的值，需要进一步深入研究。
洋内弧与大陆弧俯冲带示意图
中国科学院海洋研究所是该成果的第一完成单位，文章第一作者是张玉祥助理研究员。研究得到了国家自然科学基金、中科院先导科技专项、山东省自然科学基金等项目支持。
论文信息：
Zhang, Y., et al. Serpentinite-derived slab fluids control the oxidation state of the subarc mantle. Science Advances, 2021, 7, eabj2515. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj2515
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