EPSL | 姜鼎盛、黄方等：Rb同位素揭示马里亚纳岛弧俯冲板片脱水和熔融

      铷 (Rb) 是一种碱金属元素和大离子亲石元素。在地幔部分熔融过程中，Rb强烈不相容D_Rb^melt/residue =10000; Workman and Hart, 2005)。因此，Rb在地壳中高度富集，尤其是在上陆壳(平均为 84μg/g；Rudnick and Gao, 2003) 和俯冲沉积物中(例如全球海洋沉积物中平均Rb含量为66μg/g; Plank, 2014)。然而，Rb在亏损地幔中的含量却非常低，仅为0.05 μg/g (Workman and Hart, 2005)。此外，Rb也是一种流体活动性元素。在板片俯冲过程中，Rb强烈分配到水溶液和含水熔体中 (D_Rb^{fluid/eclogite}=53-310; Kessel et al., 2005)。

图 1. (a) Izu-Bonin-Mariana俯冲带的海底地形图。(b)马里亚纳岛弧最南端地形图及俯冲沉积物和弧熔岩的采样位置。(c) 来自挑战者深渊海底地震仪记录的俯冲带纵波速度变化及由此反演的俯冲带结构。

      铷有两个天然存在的同位素(⁸⁵Rb: 72.17% 和⁸⁷Rb: 27.83%)。前人的研究表明，由于在地幔部分熔融和玄武岩分离结晶过程中Rb强烈不相容，因此，在这两个过程中Rb同位素不发生分馏(Zeng et al., 2019; Wang et al., 2023)。然而，在与流体相关的过程中，Rb同位素可以发生显著分馏。例如，包括河流沉积物在内的地表物质的δ⁸⁷Rb变化范围为–0.31 ± 0.04‰ 至 0.07 ± 0.05‰ (Zhang et al., 2021; Hu et al., 2022)。此外，现代海水的δ⁸⁷Rb为0.12-0.13‰ (Zhang et al., 2021; Zhang et al., 2024)，远高于硅酸盐地球(BSE) (–0.13 ± 0.06‰; Wang et al., 2023)。因此，海水蚀变可能会改造俯冲物质的δ⁸⁷Rb。综上所述，Rb同位素有望成为一种新的示踪俯冲物质循环的工具。然而，Rb同位素在板块俯冲相关过程中的分馏行为尚不清楚。为了探讨这一科学问题，图书馆VIP黄方教授团队与中国科学院海洋研究所、桂林理工大学以及中科院深海科学与工程研究所合作，系统测量了IODP U1365蚀变洋壳、马里亚纳海沟俯冲沉积物以及马里亚纳弧熔岩的Rb同位素组成(图 1)。

结果显示：

1. U1365蚀变洋壳的δ⁸⁷Rb介于–0.16 ± 0.03‰至0.07 ± 0.02‰ (2SD)之间，大多数高于MORB平均值(–0.12 ± 0.08‰; Wang et al., 2023)，但低于现代海水平均值(0.12-0.13‰; Zhang et al., 2021; Zhang et al., 2024)。此外，这些蚀变洋壳的δ⁸⁷Rb与δ⁴¹K、Rb/Nb、LOI/TiO₂ 和 Al₂O₃ 成分呈正相关，与 Fe³⁺/∑Fe、MnO、Na₂O、P₂O₅和稀土元素含量呈负相关(图 2)。

图2. U1365 蚀变洋壳δ⁸⁷Rb值与主微量元素含量之间的相关性

2. 马里亚纳海沟沉积物的δ⁸⁷Rb介于–0.20 ± 0.07‰至–0.03 ± 0.02‰之间，其平均值(−0.09 ± 0.13‰)接近上地壳(–0.14 ± 0.08‰; Hu et al., 2022)。此外，其δ⁸⁷Rb与沉积物采样深度呈正相关，与LIO含量呈负相关 (图 3)。

图3. 马里亚纳海沟沉积物的δ⁸⁷Rb与沉积物采样深度和烧失量 (LOI) 成分相关性

3. 马里亚纳弧前熔岩的δ⁸⁷Rb介于–0.03 ± 0.04‰ 至 0.09 ± 0.02‰ 之间，其平均值 (0.02 ± 0.12‰) 显著高于弧下地幔 (–0.12 ± 0.08‰; Wang et al., 2023)。前弧熔岩的δ⁸⁷Rb介于–0.12 ± 0.04‰ 至 –0.01 ± 0.03‰之间，其平均值 (–0.06 ± 0.08‰) 轻微高于弧下地幔。总体来说，马里亚纳弧熔岩δ⁸⁷Rb从弧前到前弧逐渐降低。此外，这些δ⁸⁷Rb值与¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd_i 比值(图 4)呈良好相关性。

图4. 马里亚纳弧熔岩的δ⁸⁷Rb与¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd_i比值的关系图

本研究得出以下主要结论：

1. 在洋壳低温海水蚀变过程中，U1365蚀变洋壳明显富集⁸⁷Rb由两个过程导致：(1) ⁸⁵Rb在原生矿物相或者硅酸盐玻璃溶解过程中优先丢失；(2) ⁸⁷Rb在次生黏土形成过程中被优先从海水中结合或者吸附；
2. 马里亚纳海沟沉积物在沉积过程中发生了Rb同位素发生分馏。由于水动力筛选，上层沉积物中的粘土富含⁸⁵Rb，而下层的硅藻土和火山碎屑富含⁸⁷Rb。次生黏土矿物可能是海洋Rb循环过程中一个⁸⁵Rb的汇，导致了海水逐渐富集⁸⁷Rb；
3.马里亚纳弧熔岩δ⁸⁷Rb与¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd_i 比值之间的相关性说明，AOC脱水优先释放⁸⁷Rb进入到水溶液，而沉积物熔融则优先释放⁸⁵Rb进入到含水熔体中(图 5)。Rb同位素可以有效区分弧岩浆源区中含水溶液与沉积物熔体的贡献；
4.马里亚纳弧熔岩穿弧的δ⁸⁷Rb变化特征反映了随着俯冲的进行，板片温度升高，部分熔融程度增加，沉积物熔体/蚀变洋壳流体贡献增加。Rb同位素可以作为一种新的地球化学工具，用于研究俯冲物质对弧岩浆的贡献，为深入理解俯冲过程和弧岩浆成因提供新的视角。

图5. 马里亚纳俯冲带岛弧熔岩穿弧δ⁸⁷Rb变化特征模式图

      以上研究成果以“Rubidium isotopes reveal dehydration and melting of the subducting slab beneath the Mariana arc”为题，发表在地球化学领域著名学术期刊Earth and Planetary Science Letters上。中国科大姜鼎盛特任副研究员为论文第一作者，黄方教授为通讯作者。共同作者包括中科院深海科学与工程研究所彭晓彤研究员、徐文景副研究员、法国奥尔良大学Saskia Erdmann博士、南京大学徐夕生教授、中科院海洋所张国良研究员、桂林理工大学庞崇进教授以及中国科大胡霞和段皓晨特任副研究员。本研究得到了国家自然科学基金重点项目 (4233000014) 和科技部重点研发项目 (No. 2022YFF0800402)的联合资助。

论文信息：

Ding-Sheng Jiang, Xiao-Tong Peng, Wen-Jing Xu, Xia Hu, Saskia Erdmann, Xi-Sheng Xu, Guo-Liang Zhang, Chong-Jin Pang, Hao-Chen Duan, Fang Huang*. (2024). Rubidium isotopes reveal dehydration and melting of subducted slabs beneath the Mariana arc. Earth and Planetary Science Letters.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24004102?dgcid=coauthor