中科院海洋所深海中心孙卫东研究团队与张国良研究团队合作，系统分析了来自大洋钻探329航次U1365和U1368钻孔的洋壳玄武岩和典型的大洋俯冲带榴辉岩的钾（K）同位素组成特征，研究结果有效地约束了低温洋壳蚀变过程中的K同位素地球化学行为，并揭示了其对俯冲带和全球K元素循环的影响。相关成果近日发表在Nature Index期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。 

　　该成果的研究样品包含蚀变洋壳玄武岩和大洋俯冲带高压变质岩。其中，洋壳玄武岩样品代表了洋壳最上层，经历了不同类型和不同强度低温蚀变的玄武岩，榴辉岩为经历了洋壳低温蚀变和高温变质脱水过程的高压变质岩，是研究低温蚀变过程中K同位素地球化学行为和俯冲过程K同位素地球化学的理想样品。研究结果显示，与未蚀变玄武岩相比，研究的蚀变玄武岩样品δ⁴¹K值具有大的变化范围(-0.76‰ ~ -0.17‰)，表明低温洋壳蚀变过程中可以产生显著的K同位素分馏。样品钾同位素组成与蚀变类型及蚀变指标无明显相关性。结合已发表数据，本研究认为在形成蚀变矿物的过程中，海水与蚀变矿物之间的平衡以及动力学分馏作用是造成低温蚀变洋壳K同位素特征的原因。本项目模拟了海水分离进入基底流体的过程，结果显示不同分馏系数和分离程度可以获得不同钻孔的K同位素特征。研究获得了低温蚀变洋壳的参考值δ⁴¹K为-0.40 ± 0.33‰ (2sd)，该参考值与新鲜洋中脊玄武岩类似，但明显低于海水的K同位素组成(δ⁴¹K = +0.12 ± 0.07‰, 2sd)。因此，本研究证明了低温洋壳蚀变过程是形成海水重K同位素组成的重要原因。 

循环海水中沉积的K的同位素组成与玄武岩吸收K的比例关系图

　　在俯冲带，蚀变洋壳将发生变质脱水，并俯冲进入深部地幔，这些过程将会对全球K元素循环产生哪些影响呢？深俯冲的地壳物质又会如何影响深部地幔的组成呢？带着以上问题，科研人员进一步研究了大洋俯冲带榴辉岩，结果显示原岩为蚀变洋壳的榴辉岩具有低的K含量(415-9132 μg/g）和轻的K同位素组成（δ⁴¹K值-1.64 to -0.24‰），同时榴辉岩样品δ⁴¹K值与K₂O含量和K/Nb比值具有较好的相关性。K和铌（Nb）不相容程度类似，但相比于Nb，K具有更强的流体活动性，K/Nb比值的降低代表了俯冲变质脱水过程中K的丢失。因此，δ⁴¹K值与K₂O和K/Nb的相关性表明榴辉岩轻的K同位素组成可能是由变质脱水过程导致的。通过瑞利分馏模型进行了变质脱水过程中K同位素行为的模拟。模拟结果显示，不同程度蚀变的洋壳经历不同程度的脱水，不仅可以形成榴辉岩轻的K同位素特征，而且可以形成榴辉岩δ⁴¹K与K₂O之间的相关性，进一步证明了以上结论。 

松多榴辉岩K同位素组成与K₂O (wt%)和K/Nb的相关性及蚀变洋壳俯冲变质脱水过程中的瑞利分馏模拟

　　通过以上研究证明，低温洋壳蚀变过程是形成海水重K同位素重要成因；蚀变洋壳在俯冲变质过程中，具有轻K同位素组成的物质可以进入深部地幔，形成具有不同于亏损地幔K同位素组成的地幔端元，同时变质流体可以促使地幔楔熔融形成具有重K同位素组成的岛弧岩石。 

K同位素地球化学行为示意图

（1）低温洋壳蚀变过程，（2）高温洋壳蚀变过程，（3）变质脱水过程，（4）洋壳物质深俯冲，（5）洋岛玄武岩的形成

　　本研究得到了国家自然科学基金、中科院先导项目和博士后基金联合资助。论文第一作者为深海中心博士后刘海洋，通讯作者为刘海洋、孙卫东、王昆。海洋所深海中心张国良、薛颖瑜，中国科学技术大学肖益林，圣路易斯华盛顿大学田祯、Brenna Tuller-Ross共同参与了此项研究。 

　　相关成果论文题目及发表链接如下： 

　　(1) Liu Haiyang., Wang Kun., Sun Wei-Dong., Xiao Yilin., Xue Ying-Yu. and Tuller-Ross B. 2020. Extremely light K in subducted low-T altered oceanic crust: Implications for K recycling in subduction zone. Geochimica et Cosmochimica Acta 277, 206-223. http://doi.org/10.1016/j.gca.2020.03.025 

　　原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703720301964 

　　(2) Liu Haiyang., Xue Ying-Yu., Zhang Guoliang., Sun Wei-Dong., Tian Zhen., Tuller-Ross B. and Wang Kun. (2021) Potassium isotopic composition of low-temperature altered oceanic crust and its impact on the global K cycle. Geochimica et Cosmochimica Acta. https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.08.001 

　　原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721004671