馬里亞納俯沖板塊最早期脫水和脫碳過程獲揭示

近日，科學家在國家重點研發計劃項目和國家自然基金項目的資助下，研究揭示了弧前蛇紋巖泥火山記錄馬里亞納俯沖板塊最早期的脫水和脫碳過程。相關成果分別發表于《地球與行星科學快報》《化學地質學》。

橄欖巖蛇紋巖化伴隨著天然氫氣和無機甲烷的形成與二氧化碳封存等多種地質過程，受到廣泛的關注。弧前地幔楔蛇紋巖由俯沖板塊在弧前深度發生低溫脫水，在俯沖隧道中交代橄欖巖形成。蛇紋巖相對周圍橄欖巖密度大大降低，因此所形成的蛇紋巖泥可夾帶橄欖巖、蛇紋巖和變玄武巖巖塊等，沿弧前斷裂噴發到弧前地殼形成蛇紋巖泥火山。

馬里亞納弧前發育地球上僅有的、正在噴發的泥火山，實時記錄了淺部俯沖隧道中的流固反應過程，記錄了在成熟俯沖帶俯沖板塊最早期的脫水/脫碳和俯沖板塊含水礦物的形成過程。為研究上述關鍵地質過程，國際大洋發現計劃366航次對馬里亞納弧前三個蛇紋巖泥火山進行了鉆探，它們分別是Yinazao、Fantangis?a和Asùt Tesoru，對應的俯沖板塊深度分別為13、14和18公里，記錄馬里亞納島弧最淺的俯沖隧道過程。

來自中國科學院廣州地球化學研究所博士趙瑞鵬、研究員李洪顏和中國科學院院士徐義剛與美國南佛羅里達大學教授Jeffrey G. Ryan等科研人員系統研究了國際大洋發現計劃366航次鉆取的蛇紋巖泥火山及其中的變玄武巖包體，在俯沖板塊最早期的脫水/脫碳過程，以及俯沖板塊含水礦物形成的機制等方面取得了新認識。

該研究發現，隨著板塊俯沖深度增加，流體活動性元素B、Rb、Cs和Li在蛇紋巖中的富集程度逐漸增加。Yinazao蛇紋巖明顯富集Sr和Ba，這與蛇紋巖中夾帶的變玄武巖虧損這些元素形成互補。蛇紋巖中流體活動性元素和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr之間的相關性反映了俯沖板塊流體、地幔和俯沖板塊之間的相互作用。Yinazao蛇紋巖的Sr-Ba和Asùt Tesoru蛇紋巖中的B-Rb-Cs-Li富集的同時，它們的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr由介于沉積物和虧損地幔之間，向變玄武巖的平均值收斂。這些觀察結果表明，沉積物是俯沖板塊最早期釋放流體的來源，這些流體首先與地幔楔橄欖巖發生了反應，產生了高pH流體，此后與俯沖的海山玄武巖發生了反應。

俯沖玄武巖中斜長石的優先分解導致高pH的蛇紋巖流體中所溶解的碳酸鈣沉淀，堿度降低，最終形成高Ca-Sr-Ba流體。長石分解以后，硬柱石形成，此后粘土礦物分解，利蛇紋石向葉蛇紋石轉變，這些過程釋放出高B-Rb-Cs-Li和低Sr-Ba的流體。這一次流體釋放導致了在淺部俯沖隧道中早期沉淀的碳酸鈣的溶解，富鈣流體與其他礦物反應形成了異剝鈣榴巖組合和綠簾石。最后，這些流體演化成具有高堿度、低Ca-Sr-Ba、高B-Rb-Cs-Li的流體。

該研究揭示在俯沖隧道中，高pH流體對斜長石早期分解、新的含水礦物生成以及碳酸鈣的沉淀起到至關重要的作用。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118748

https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2024.122090