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张奥,Sept. 5, 2023
钾是第四周期第一主族碱金属元素，其在自然界存在3种同位素，包括39K、40K和41K。其中39K和41K是稳定同位素，占全部钾的93.26%(原子数比，下同）和6.73%；40K是放射性同位素，只占全部钾的0.01%。钾元素是中等挥发性元素，在太阳星云冷凝、行星凝聚形成、行星体大碰撞等宇宙化学领域有很多应用，如K/U比值在宇宙化学中经常被用来比较不同行星体相对太阳星云原始成分的亏损程度；钾也是易溶元素，在流体中的活动性强，因此在化学风化、流体交代、热液蚀变过程中，钾容易进入流体并发生运移；钾也是大离子不相容元素，在地幔部分熔融过程中，钾几乎全部进人熔体，钾在地壳中相对于地幔显著富集。
俯冲带是壳幔再循环的重要场所，旧的地壳则随着大洋岩石圈板块的下降返回到地幔，新的地壳通过弧岩浆作用产生。低温热液的蚀变导致挥发物（例如H2O和CO2）和海水碱（K、Rb、Cs）的显着增加，俯冲海洋板块在地球化学上与地幔不同。此外，沉积在洋壳上的沉积物含有丰富的大离子亲石元素（LILE），这些元素在地幔熔融过程中不相容，会集中在大陆地壳中（例如K、Rb、Sr、Cs和Ba）。随着俯冲的进行，海洋板块会因压力和温度的增加而脱水。然后，位于蚀变洋壳和沉积物中的LILE通过流体或熔体释放到上覆的地幔楔中，并转移到部分熔融区，从而产生弧岩浆。在到达地表的途中，弧岩浆可能与上覆板块中的弧壳相互作用并同化。这些不同的地壳成分赋予地幔弧类似大陆的微量元素和同位素特征。
图一：俯冲带是重要的壳幔物质循环的场所Suoetal.(2019,ESR)
区分各种地壳贡献是关于弧岩浆起源争论的核心，这对于理解大陆地壳的形成和深部地幔长期异质性的发展非常重要。地幔熔化产生的弧岩浆通常具有表明地壳贡献的微量元素和同位素特征。地壳贡献的起源和程度是量化俯冲带壳幔再循环的关键限制因素；然而，很难区分来自俯冲的海洋板片的输入和来自上覆弧形地壳的输入。
这篇文献使用稳定的钾(K)同位素来确定小安的列斯群岛马提尼克岛熔岩中长期争论的地壳特征，地壳贡献的起源和程度是量化俯冲带壳幔再循环的关键限制因素。
图二：小安的列斯群岛的地质背景（Huetal.2020）
小安的列斯群岛是沿着加勒比板块东缘延伸约750公里的洋内弧；它是由大西洋岩石圈向西俯冲形成的，年龄从北部的80Ma到南部的105Ma以上；自渐新世晚期以来，该岛弧一直处于火山活动状态，马提尼克岛包含了完整的火山弧历史，沿着弧线喷发的熔岩显示出放射性同位素比率的显着转变，从北部岛屿典型的原始成分到南部大陆类似于地壳的强烈富集特征。沉积物输入也沿弧线变化，流经南美大陆的奥里诺科河和亚马逊河将丰富的陆源沉积物输送到弧南部，并在弧前区域形成了一个大型的增生复合体。陆源输入向北逐渐变薄，其中远洋沉积物占主导地位。从古代南美大陆侵蚀而来的俯冲陆源沉积物的高通量可能会给地幔来源带来强烈的沉积物特征。如果小安的列斯群岛是在较老的阿夫斯弧地壳或其弧前区域上发育的，那么上板块中被推挤的沉积物也有可能被同化，因此，目前尚不清楚整个小安的列斯群岛弧所依赖的地壳中夹层沉积物的体积重要性。
图三：马提尼克岛熔岩的K同位素组成
马提尼克岛熔岩的K同位素组成如图3所示。δ41K对岩石类型没有明显的依赖性，马提尼克熔岩的K同位素组成不随喷发年龄而系统地变化，中间弧显示出较大差异，取最原始熔岩（样本IAR）的δ41K来代表当地地幔的K同位素组成，对于局部俯冲沉积物，绘制了不含碳酸盐的K2O浓度，因为进入南安的列斯海沟的沉积物主要沉积在碳酸盐补偿深度(CCD)之上，马提尼克熔岩的K同位素组成也可以与已发表的大陆沉积物和俯冲海洋沉积物数据进行比较，这是地壳物质的两个潜在来源，为马提尼克熔岩提供了高度富集的放射性同位素组成。
马提尼克熔岩中钾同位素组成的广泛而系统的变化可能是由多种过程造成的，包括喷发后蚀变、火成岩分异、地壳同化以及俯冲板块衍生成分对其地幔来源的改变。
低温流体-岩石相互作用可能导致喷发熔岩中钾同位素的显着变化；岩浆分异也不太可能产生在马提尼克岛熔岩中测量到的δ41K范围；马提尼克熔岩中揭示的大量δ41K变化强烈表明，这些熔岩的地壳输入反映了添加到其地幔来源的板片衍生物质，而不是受到当地弧内地壳物质的污染。
因此，我们可以总结得到以下三点：
1）马提尼克熔岩的δ41K变化范围为-0.66至0.01‰，并且与化学参数和放射性同位素比率相关，反映了因俯冲沉积物的输入而改变的地幔源；
2）大多数熔岩在δ41K和放射性同位素组成之间表现出很强的负相关性，从典型的地幔值-0.37‰到低得多的-0.66‰值，表明在其地幔来源中添加了<1%至5%的俯冲沉积物；
3）δ41K与Th/Nd比值之间的相关性表明，地幔与沉积物的熔体混合，而不是与大块固体沉积物混合。
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