近日，国际地学权威学术期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》发表了题为“Fe–Mg isotopes trace the mechanism of crustal recycling and arc magmatic processes in the Neo‐Tethys subduction zone”的研究成果。此项成果由中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室陈龙副教授、李东永博士、李三忠教授、李晓辉副教授、中科院海洋所邓江洪副研究员、都柏林大学Ian Somerville教授、中国科学技术大学陈伊翔教授、赵子福教授以及合肥工业大学安慰副教授合作完成。陈龙副教授为论文的第一作者兼通讯作者，李东永博士和邓江洪副研究员为论文的共同通讯作者。

目前，关于俯冲带地壳物质再循环的机制存在流体（富水溶液、含水熔体或者超临界流体）和固体（混杂岩底辟体）之争。作为新兴同位素体系，Fe-Mg同位素可能为此问题提供新的制约，主要是因为铁和镁是镁铁质弧岩石的主要组成元素，且俯冲带岩浆作用所涉及的不同储库之间在Fe和Mg同位素组成上均存在一定的差异。然而，建立镁铁质弧岩石中Fe-Mg同位素组成与特定地壳物质向地幔楔的运输机制之间的直接联系一直是个挑战。到目前为止，镁铁质弧岩石中Fe-Mg同位素比值与俯冲板块来源物质的传统示踪剂（如放射性Sr-Pb-Nd-Hf同位素比值）之间没有观察到显著的相关性。另外，获取某些俯冲带中俯冲沉积物的Fe-Mg同位素组成数据通常很困难。

本研究报导了来自冈底斯造山带东部和中部的镁铁质岩及其相关的海沟沉积物的Fe-Mg同位素组成数据。冈底斯东部镁铁质弧岩石的δ²⁶Mg值与(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i和(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)_i比值呈负相关，但与ε_Nd(t)和ε_Hf(t)值呈正相关（图1）。相反，冈底斯东部镁铁质弧岩石的δ⁵⁶Fe值与(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_i和(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)_i比值呈正相关，但与ε_Nd(t)和ε_Hf(t)值呈负相关（图2）。冈底斯中部镁铁质弧岩石的镁和铁同位素组成与东部的类似，但与Sr-Pb-Nd-Hf同位素组成之间缺乏相关关系（图1和2）。值得注意的是，大多数镁铁质弧岩石的Fe-Mg同位素组成介于区域海沟沉积物和地幔楔橄榄岩之间（图3和4）。

图1 冈底斯弧镁铁质岩石的镁同位素组成与锶-铅-钕-铪同位素组成之间的相关关系图。 

图2 冈底斯弧镁铁质岩石的铁同位素组成与锶-铅-钕-铪同位素组成之间的相关关系图。 

定性分析和定量模拟表明：（1）冈底斯东部镁铁质弧岩石中观察到的Fe-Mg同位素变化凸显了沉积物来源熔体和橄榄岩的源区混合的重要作用（图3和4），而（2）冈底斯中部镁铁质弧岩石中观察到的Fe-Mg同位素变化反映了碳酸盐化蛇纹岩与地幔楔橄榄岩之间的源区混合和交代岩熔融的叠加效应（图5）。

图3 铁同位素和钕同位素相关图，展示DMM和冈底斯弧海沟沉积物整体或沉积物来源熔体之间的二元混合模拟结果。 

图4 镁同位素和钕同位素相关图，展示DMM和冈底斯弧海沟沉积物整体或沉积物来源熔体之间的二元混合模拟结果。 

图5 δ⁵⁶Fe与(La/Yb)_N(a)和δ²⁶Mg与Ba/Rb (b)相关图，展示弧下地幔楔批式熔融和俯冲板片碳酸盐化蛇纹岩来源流体与地幔楔橄榄岩二元混合模拟结果。 

大陆弧镁铁质岩石的Fe-Mg同位素组成与传统地球化学示踪剂之间的强相关性进一步证明了俯冲带地壳物质通过各种类型的板片衍生流体和熔体，而非固态的混杂岩底辟体实现再循环。

Long Chen*, Dong-Yong Li*, Jiang-Hong Deng*, San-Zhong Li, Ian Somerville, Yi-Xiang Chen, Zi-Fu Zhao, Wei An, Xiao-Hui Li. Fe–Mg isotopes trace the mechanism of crustal recycling and arc magmatic processes in the Neo‐Tethys subduction zone. Journal of Geophysical Research: Solid Earth.

文章链接：https://doi.org/10.1029/2023JB026778