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苏金铭,Sept. 1, 2026
本次组会报告以岛弧岩浆与海水之间的锶同位素传输为主题，系统梳理了岛弧岩浆岩87Sr/86Sr从太古宙至现代的长期演化规律，并通过数据汇编、排除法论证和三端元混合模型，定量揭示了海水化学对岛弧Sr同位素组成的控制作用。
一、现代岛弧高放射成因Sr的来源
现代岛弧玄武岩的87Sr/86Sr平均值约为0.70352，显著高于洋中脊玄武岩的约0.7028。蚀变洋壳在俯冲过程中通过脱水或熔融释放携带海水信号的Sr，是岛弧岩浆高放射成因Sr的主要来源，其贡献约为俯冲沉积物的5至10倍。海水来源的Sr在洋中脊热液蚀变阶段进入洋壳，随后随俯冲板片转移至地幔楔，最终进入岛弧岩浆，从而在海水、洋壳与地幔之间形成一条完整的Sr同位素传输通道。
在此基础上，核心科学问题在于：现代海水-岛弧Sr循环机制是否同样适用于古代地质历史？若适用，则岛弧87Sr/86Sr随时间的变化应反映海水Sr同位素组成、海水与洋壳Sr交换程度、以及洋壳向弧下地幔输送Sr比例三个过程的波动。然而这三个过程在古代均存在显著不确定性：前寒武纪海底高温热液蚀变程度尚存争议；海水Sr浓度在新元古代以来波动可达7倍，显生宙之前缺乏可靠约束；古代更高的地温梯度可能使洋壳部分熔融更为频繁，单一的流体脱水模型难以涵盖古代情况。
二、筛选构建20亿年岛弧Sr同位素数据集
为构建岛弧Sr同位素的长期演化记录，研究汇总了来自90个地区、年龄跨度从2.5 Ga至现代的约2200个岛弧岩浆岩数据，并通过三重筛选确保数据质量。第一，根据岩相学描述排除遭受后期热液蚀变的样品；第二，根据初始εNd值排除受到地壳混染的样品，具体标准为εNd为负值或偏离同期亏损地幔预期值超过4个ε单位；第三，排除87Rb/86Sr大于0.1的样品，以减少扣除校正的不确定性。
经过筛选，最终保留555个数据点，其中520个为全岩分析（以镁铁质至中性岩为主），35个为单矿物分析（以辉石为主）。古代样品年龄范围为24至2100 Ma。研究对各岛弧地区的样品分别取中位数、平均值、最小值和等时线截距，观察到数据的趋势一致。
图1 不同统计量表征的各地点87Sr/86Sr特征
三、持续升高叠加阶段波动：岛弧87Sr/86Sri的20亿年演化特征
基于筛选后的数据集，研究得出三个关键观测。第一，岛弧87Sr/86Sri中位数随时间整体升高，从2100 Ma的约0.70150上升至现代的0.70326至0.70375。第二，整个记录区间内岛弧始终高于同期亏损地幔演化线，表明岛弧岩浆源区持续存在放射成因Sr的富集。第三，岛弧相对于亏损地幔的偏移量随时间显著波动，而非单调变化。
具体而言，新元古代中期之前岛弧87Sr/86Sri四分位距为0.7025至0.7033；从成冰纪至早古生代急剧升至0.7037至0.7042，早古生代最高中位数可达0.70477；约300 Ma之后逐渐回落至接近现代值的范围，侏罗纪和白垩纪期间再次出现0.7040至0.7044的高值。这种长期升高叠加阶段性波动的结构，为探讨驱动机制提供了关键线索。
四、排除法锁定海水来源与三端元模型对海水化学主控作用的定量验证
研究通过排除法逐一检验替代机制。后期蚀变被排除：最古老样品并未具有最高值，87Sr/86Sri偏移量与Rb、Sr含量及烧失量均无显著相关性。俯冲沉积物和地壳混染被排除：εSr与εNd未见预期的负相关，且800至400 Ma期间的升高趋势在全球不同造山带中均有出现。地幔不均一性被排除：转换为相对于同期Sr-Nd地幔演化线的偏移量后，趋势与原始数据高度相似。在逐一排除后，海水来源的、经蚀变洋壳俯冲释放的Sr被锁定为主要控制因素。
为定量验证，研究构建了三端元混合模型，将岛弧岩浆Sr同位素组成模拟为亏损地幔、俯冲沉积物（贡献比例0.05至0.13）和蚀变洋壳（0.57至0.68）的混合。模型假设三端元比例恒定、地幔不均一性可忽略、沉积物同位素与同期海水相同、热液通量和温度不变。受海水Sr浓度重建限制，模型覆盖0至830 Ma。
图2 对编制的岛弧87Sr/86Sr数据（0至1000 Ma）与预测模型结果、海水87Sr/86Sr变化和Sr浓度的时间变化进行比较
模型成功复现了实测数据的整体趋势。最为关键的对照实验表明：若假设海水Sr浓度恒定为现代值，模型无法复现700至500 Ma期间的显著升高，会系统性低估该时段数值；只有同时引入随时间变化的海水Sr浓度（新元古代至早古生代超过600 μmol/kg，为现代的6倍以上）和海水87Sr/86Sr，模型才能准确捕捉实测趋势。这直接证明海水Sr浓度和同位素组成的时间波动是控制岛弧87Sr/86Sri演化的主要因素。尽管定量模型仅追溯至830Ma，但元古代岛弧始终高于亏损地幔且数值普遍偏低，与元古代海水较低的87Sr/86Sr相一致，据此推断类似于现代的海水-岛弧Sr传输机制很可能早在约20亿年前就已运作。
（A）新元古代、（B）寒武纪、（C）白垩纪和（D）现代
图3 Sr循环模型以及水圈对岛弧87Sr/86Sr的影响
五、AOC同位素的时间依赖性与蛇绿岩验证：对岛弧溯源与古海洋重建的启示
由于蚀变洋壳的87Sr/86Sr随时间变化，不同年龄的俯冲洋壳在蚀变时吸收的海水Sr信号不同，因此利用Sr同位素进行岛弧岩浆物质来源模拟时，必须充分考虑蚀变洋壳同位素特征随时间的波动，不能简单套用现代值。
在基础验证方面，前寒武纪蛇绿岩的Sr同位素研究被视为检验假说的关键途径。蛇绿岩作为古洋壳的直接记录，其87Sr/86Sri能够反映古代海底热液蚀变过程中海水来源Sr进入洋壳的程度，从而为海水-岛弧Sr传输机制的长期存在提供独立证据。目前元古代蛇绿岩的化学和同位素研究仍十分有限，系统开展这一工作有望将Sr循环的定量约束从830 Ma进一步向前推进。
总体而言，该研究通过大规模数据汇编和定量模型，建立了海水化学与岛弧Sr同位素之间的耦合关系，为理解地表风化、海洋化学演化与深部地球动力学过程之间的联系提供了新的视角。
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