近日，中国科学院海洋研究所板块构造与物质循环研究组在国际地球化学期刊Geochimica et Cosmochimica Acta发表最新研究成果，揭示了陆壳俯冲带钾同位素地球化学行为，并利用钾同位素限定了俯冲带弧下深度板片熔/流体与海山物质的再循环过程。

板块俯冲是地球圈层间物质与能量交换的关键过程，深刻影响着地球演化与宜居性形成，始终是地球科学领域的研究热点与前沿。钾（K）在地壳中的丰度约为地幔的100倍，其同位素体系因此被视为示踪俯冲带壳幔物质循环的灵敏且独特的地球化学指标。近年来，钾同位素地球化学发展迅速，但在陆壳俯冲体系中的研究仍属空白，且典型俯冲带物质循环的示踪实例较为匮乏，制约了该领域的深入发展。

为揭示陆壳俯冲过程中钾同位素的地球化学行为，研究团队对大别造山带陆壳成因的榴辉岩及高压变质脉体开展了系统的钾同位素分析，取得以下重要发现：（1）榴辉岩轻钾同位素特征指示俯冲脱水作用。大别造山带花凉亭和港河陆壳成因榴辉岩的钾同位素组成（δ⁴¹K为-0.93‰～-0.47‰，平均-0.71‰）显著轻于大陆地壳，整体与洋壳成因榴辉岩相似。δ⁴¹K值与变质脱水指标（如K/Nb比值）呈明显相关性，结合定量模拟，表明俯冲变质脱水是导致榴辉岩轻钾同位素的主要原因（图1）。（2）高压变质脉体极轻钾同位素记录流体演化过程。高压变质脉体的钾同位素组成（δ⁴¹K为-2.81‰～-0.48‰）极轻，部分样品呈现出目前已知俯冲带样品中最轻的钾同位素特征。定量模拟排除了扩散作用的影响，结合花凉亭角闪岩的重钾同位素特征（δ⁴¹K为-0.45‰～-0.11‰），研究指出板片流体演化过程中的钾同位素分馏是形成变质脉体极轻钾同位素特征的主控因素。（3）揭示陆壳俯冲带钾同位素地球化学行为。本研究首次系统揭示了大陆俯冲带钾同位素的地球化学行为，表明再循环的陆壳物质具有轻钾同位素特征，为利用钾同位素示踪俯冲带壳幔物质循环提供了新的理论依据和实证支持。

图1 大别造山带港河（GH）和花凉亭（HLT）榴辉岩及高压变质脉体的钾同位素组成

（A图统计了本文及已发表的榴辉岩钾同位素数据，B图主要展示变质脱水模拟结果与榴辉岩K同位素数据的耦合特征）

俯冲带岛弧岩浆记录了板块俯冲过程中的壳幔物质循环，但由于岛弧岩浆的地幔源区通常受到多个板片组分的共同影响，精细刻画不同组分的贡献及其循环过程仍面临挑战。围绕这一科学问题，本研究基于以上钾同位素地球化学示踪原理，选取西北太平洋勘察加穿弧剖面（长约200 km）的岛弧岩石为研究对象，系统开展了钾同位素组成研究。主要结果如下：（1）堪察加岛弧岩石的钾同位素组成总体上重于亏损地幔，其中岛弧前缘岩石表现出显著偏重的钾同位素特征，指示了俯冲带流体交代作用的存在（图2）；（2）中部岛弧火山区域的重钾同位素组成与氧同位素呈正相关关系，暗示该区域存在再循环海山物质的贡献；（3）本研究综合钾同位素特征，成功识别出岛弧岩浆地幔源区中存在再循环的板片流体、海山物质及板片熔体多种组分，从而揭示了俯冲带弧下深度地壳物质再循环机制与演化过程。

图2 太平洋堪察加岛弧岩石钾同位素组成与俯冲带深度图解（a），以及已发表的洋中脊玄武岩（b）、岛弧岩石（c）和岛弧前缘岩石（d）钾同位素组成

以上研究聚焦俯冲带钾同位素地球化学（图3），综合俯冲带变质岩和岩浆岩的钾同位素变化规律，揭示了俯冲带变质脱水作用释放富集重钾同位素的流体，而残余板片则富集轻钾同位素。同时，基于穿弧剖面岛弧岩石钾同位素变化规律，揭示了俯冲带不同深度地壳物质再循环的机制，为钾同位素的地质应用提供研究实例。相关成果的两篇论文近期均发表于国际学术期刊Geochimica et Cosmochimica Acta。

图3 俯冲带钾同位素地球化学行为示意图

论文信息：

Liu Haiyang*; Xue Ying-Yu; An Shichao; Gu Hai-ou; Sun He; Wang Kun; Guo Shun; Yan Maoqiang; Sun Weidong. (2026). Extremely light potassium isotopic compositions of the continental eclogites and high-pressure metamorphic veins reveal the fluid-rock interactions in subduction zones. Geochimica et Cosmochimica Acta. 422: 522-535.

Xue Ying-Yu; Liu Haiyang*;Sun He; Gu Hai-ou; An Shichao; Wörner Gerhard; Xie Guozhi; Yan Maoqiang; Li Dapeng; Xiong Yuxin; Tian Fanfan; Sun Weidong. (2026). Across-arc variations of potassium isotope compositions in a fluid-dominated subduction zone and implications for global potassium recycling. Geochimica et Cosmochimica Acta. 422: 487-501.