中国科大金属稳定同位素实验室 GCA | Rb同位素揭示冷俯冲带弧下蚀变洋壳未发生部分熔融

      俯冲带是连接地球表层与深部地幔的关键通道，控制着水、碳及多种微量元素在地球内部的循环过程。传统认识认为，在现代冷俯冲带中，蚀变洋壳（AOC）主要通过脱水作用释放富含大离子亲石元素的流体，而俯冲沉积物则可发生部分熔融并向地幔楔贡献沉积物熔体。然而，近年来越来越多的研究提出，即使在冷俯冲带弧下区域，蚀变洋壳也可能发生部分熔融，并可能是弧岩浆中高Sr含量等关键地球化学特征的重要来源。因此，冷俯冲带弧下蚀变洋壳究竟是以脱水为主，还是能够发生广泛部分熔融，已成为理解俯冲带物质循环、弧岩浆成因及深部挥发分循环的重要科学问题。

      传统Sr-Nd-Pb放射成因同位素和微量元素指标虽然能够识别俯冲组分加入，但往往难以有效区分蚀变洋壳流体、蚀变洋壳熔体和沉积物熔体等不同端元。相比之下，铷（Rb）同位素为解决这一问题提供了新的约束。Rb作为典型的大离子亲石元素，在俯冲带流体和熔体活动中具有较高敏感性；同时，Rb同位素在地幔部分熔融和玄武质岩浆结晶分异过程中不发生分馏，玄武岩全岩δ⁸⁷Rb能够记录地幔源区的原始特征。更重要的是，蚀变洋壳脱水流体和脱水后蚀变洋壳熔体具有不同的Rb同位素响应：蚀变洋壳脱水释放的流体通常具有相对较高的δ⁸⁷Rb，而经历强烈脱水后的蚀变洋壳及其后续部分熔体则预期具有较低的δ⁸⁷Rb（图1）。因此，Rb同位素可作为区分俯冲带流体—熔体过程、检验弧下蚀变洋壳是否发生部分熔融的有效工具。

      针对上述问题，中国科学技术大学黄方教授团队联合奥尔良大学、广州地球化学研究所等国内外单位，对中国东部Izanagi板片冷俯冲体系相关的白垩纪弧玄武岩和弧后玄武岩开展了系统Rb同位素研究，相关成果发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》(2026)。

图1 蚀变洋壳脱水过程中Rb同位素行为的Rayleigh分馏模拟

      研究结果显示，中国东部弧玄武岩与弧后玄武岩具有清晰的跨弧δ⁸⁷Rb变化。弧玄武岩的δ⁸⁷Rb整体偏低，主要变化范围为−0.68‰至−0.14‰，另有少数样品接近正常地幔值。相比之下，弧后玄武岩具有相对较高的δ⁸⁷Rb值，变化范围为−0.25‰至−0.12‰。

      进一步结合Sr-Nd-Pb放射成因同位素、Sr/Y、Ba/Th、MgO、U/Pb和Rb/Ti等地球化学指标，本研究识别出弧下和弧后区域存在不同的板片物质迁移过程：在弧下区域以沉积物熔融及其与地幔橄榄岩反应为主，未识别出蚀变洋壳熔体贡献；在弧后区域，蚀变洋壳或含蚀变洋壳的洋壳发生部分熔融（图2）。该结果表明，蚀变洋壳的部分熔融主要发生在更热的弧后区域，而不是弧下区域。

图2 示意图展示了中国东部弧玄武岩和弧后玄武岩δ⁸⁷Rb系统变化所约束的Izanagi俯冲板片从弧下到弧后区域的两阶段部分熔融过程

      该研究还对长期争议的弧岩浆高Sr含量来源提出了新的解释。以往研究常将弧岩浆中高Sr含量或高Sr/Y值解释为蚀变洋壳熔体加入的证据。然而，本研究发现，中国东部弧玄武岩具有显著高Sr含量（385−913 μg/g），但这些高Sr含量与δ⁸⁷Rb呈负相关（图3），并与Sr-Nd-Pb同位素组成和Sr/Y等指标具有系统关系，说明其高Sr特征主要来自俯冲沉积物输入，而非蚀变洋壳熔体。沉积物熔体与地幔橄榄岩反应形成的交代辉石岩，能够在后续部分熔融过程中向弧岩浆提供大量Sr，从而解释冷俯冲带弧岩浆的高Sr特征。

图3 (a) 在给定Nb含量条件下本文研究的弧玄武岩中的Sr含量和 (b) 中国东部弧玄武岩δ⁸⁷Rb值与Sr含量之间的负相关关系

该研究主要结论与意义

      进一步对全球冷俯冲带进行对比发现，伊豆-小笠原-马里亚纳、汤加-克马德克等典型冷俯冲体系的弧岩浆也显示出类似地球化学关系，即高Sr/Y特征与沉积物输入指标密切相关，而并非必须以弧下蚀变洋壳发生部分熔融为前提。这一结果表明，在冷俯冲带中，蚀变洋壳即使携带大量水、碳和微量元素，也未必能在弧下区域达到部分熔融条件，它们可能越过弧下区域继续向更深部地幔输送挥发分和微量元素。这一认识对重新评估现代冷俯冲带物质循环、解释全球弧岩浆高Sr特征、理解水和碳向深部地幔的输送具有重要意义。

      以上研究成果以“Rubidium isotopes reveal no sub-arc melting of altered oceanic crusts in a cold subduction zone”为题，发表在地球化学领域著名学术期刊 Geochimica et Cosmochimica Acta上。中国科学技术大学硕士研究生钟自强为论文第一作者，姜鼎盛特任副研究员为通讯作者。共同作者还包括Saskia Erdmann博士(Université d’Orléans)、陈伊翔教授（中国科大）、胡霞特任教授（长江大学）、徐峥副研究员（广化所）、张伟特任副研究员（中国科大）、盛佳儒博士（中国科大）、李王晔副教授（中国科大）和黄方教授（中国科大）。该研究得到了国家自然科学基金（4233000014，42103040）和国家重点研发计划（2022YFF0800402）等项目的资助。

文章信息

Zi-Qiang Zhong, Ding-Sheng Jiang*, Saskia Erdmann, Yi-Xiang Chen, Xia Hu, Zheng Xu, Wei Zhang, Jia-Ru Sheng, Wang-Ye Li, Fang Huang. Rubidium isotopes reveal no sub-arc melting of altered oceanic crusts in a cold subduction zone. Geochimica et Cosmochimica Acta.