近日，国际地学期刊Earth and Planetary Science Letters（Nature Index）在线刊发了中国科学院海洋研究所海洋地球化学研究组陈祖兴副研究员关于俯冲蛇纹岩流体氧化还原性质的最新合作成果，对理解俯冲蛇纹岩流体对岛弧岩浆氧逸度的影响具有重要的意义。

图1 全球大洋玄武岩Cr同位素组成分布特征

蛇纹岩在弧下深度的脱水作用是俯冲带水和挥发分循环的关键环节，并可能调控弧下地幔的氧化状态。然而，其释放流体的氧化还原性质仍存在较大争议。精确约束其中氧化还原敏感元素的价态，是厘清其氧化还原特征的关键途径（Chen et al., 2022; 2023）。为此，研究团队分析了全球典型冷俯冲带—马里亚纳的玄武岩Cr同位素组成，发现岛弧岩浆相较于弧后盆地玄武岩富集重Cr同位素，而后者与洋中脊玄武岩相似（图1）；Cr同位素与俯冲流体指标（Ba/Nb、Ba/La和Cs/Yb）呈正相关。鉴于沉积物和蚀变洋壳Cr含量极低且同位素组成接近地幔，而蛇纹岩则具有较高Cr含量和更重的Cr同位素组成，这表明俯冲蛇纹岩流体交代地幔源区是俯冲带岩浆Cr同位素变化的主控因素。

图2 弧下深度俯冲流体中Cr价态与氧逸度及酸碱度的关系

研究人员结合热力学和第一性原理理论计算，评估了蛇纹岩在弧下深度脱水释放流体中Cr的价态及其同位素组成。结果显示，由于蛇纹岩流体在弧下深度为碱性，Cr主要以Cr6+形式存在（图2），并富集重Cr同位素（图3A）。蒙特卡洛模拟进一步表明，富Cr6+的碱性蛇纹岩流体交代弧下地幔楔，可解释冷俯冲带岛弧岩浆Cr同位素的偏重特征（图3B）。由于Cr6+具有强氧化性和高流体活动性，富Cr6+的蛇纹岩流体亦可直接氧化弧下地幔楔中的Fe²⁺，从而提高岛弧岩浆的氧逸度。本研究表明，在冷俯冲带，俯冲蛇纹岩可以释放氧化性流体交代并氧化岛弧岩浆地幔源区（图4）。

图3 含Cr6+和Cr3+流体与蛇纹岩在不同温度下的Cr同位素分馏系数（A）；俯冲沉积物和蛇纹岩流体交代弧下地幔的蒙特卡洛模拟（B）

图4 蛇纹岩脱水驱动俯冲带岩浆氧逸度和Cr同位素不均一性的模式图

研究团队系列研究表明，金属稳定同位素在示踪俯冲流体来源及其氧化还原性质方面具有独特优势（Chen et al., 2021; 2022; 2023; 2025a,b），并基于第一性原理和热力学计算，建立了利用变价金属稳定同位素示踪俯冲蛇纹岩流体氧化还原性质的理论体系。其中3项成果被收录于国际经典教科书Treatise on Geochemistry（第三版）；1项成果被美国地球物理学会（AGU）会刊EOS以“Editors’Highlight”报道，并获美国哥伦比亚大学Susanne Straub教授撰文正面评价（https://eos.org/editor-highlights/tracing-oxidizing-slab-fluids-in-cold-volcanic-arcs）。此外，国际地球化学学会（Geochemical Society）在Geochemical News上也对相关成果进行了推介（https://multibriefs.com/briefs/gs/GS110122.php）。

论文第一/通讯作者为中国科学院海洋研究所陈祖兴副研究员，曾志刚研究员为共同通讯，合作者包括美国华盛顿大学滕方振教授、中国科学院海洋研究所张玉祥副研究员、中国科学技术大学秦礼萍教授和霍金晶博士、美国德克萨斯大学达拉斯分校Robert Stern教授、深空探测实验室刘佳博士、中国科学技术大学雷静博士。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东省自然科学基金等项目联合支持。

论文信息：

Zuxing Chen*, Fang-Zhen Teng, Yuxiang Zhang, Liping Qin, Jinjing Huo, Robert J. Stern, Jia Liu, Jing Lei, Zhigang Zeng*. Serpentinite dehydration-driven redox heterogeneity in cold subduction zone magmas, Earth and Planetary Science Letters. 2025, 667, 119537.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X25003358

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