俯冲过程中，俯冲板片释放不同俯冲组分交代地幔楔，造成地幔楔熔融，形成岛弧岩浆作用，是地球壳幔物质循环过程最重要的方式之一。不同俯冲带氧化还原环境差别巨大，将造成俯冲组分成分上的极大差异。厘清俯冲带氧化还原环境的差异性对理解壳幔物质循环过程尤其是变价元素（C、S、Fe、Mo等）的循环机制具有重要的科学意义。然而，俯冲过程中产生的俯冲组分氧逸度复杂多变，揭示不同俯冲带氧化还原环境的差异性一直是地球科学的难题之一。针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组于洋副研究员与黄小龙研究员及其合作者对东南亚苏门答腊岛弧玄武岩与弧后玄武岩（图1）进行了系统的B-Mo-Sr-Nd-Hf-Pb同位素分析，通过对比B-Mo同位素在俯冲过程中不同的同位素分馏行为，揭示不同俯冲带氧化还原环境的差异性，并阐明其对俯冲带壳幔物质循环过程的重要作用。

图1.东南亚巽他岛弧火山与样品分布图

　　研究结果表明苏门答腊岛弧玄武岩（CAB）与弧后玄武岩（BAB）主要为拉斑玄武质，具有较低的K₂O含量。岛弧玄武岩与弧后玄武岩均富集轻稀土元素，具有低Ba/La与高La/Yb比的特征（图2），表明其地幔源区较少受流体交代，而主要受来自俯冲板片的熔体交代。岛弧玄武岩与弧后玄武岩具有相似的Mo同位素组成，且其δ^98/95Mo整体比邻近爪哇岛弧玄武岩更重（Yu et al., 2022），结合其相对富集的Nd同位素组成，表明其地幔源区主要受来自俯冲陆源碎屑沉积物的熔体交代（图2）。地球物理资料显示位于Toba火山下的俯冲板片发生了板片撕裂，并导致了软流圈地幔沿板片窗的上涌（图3），造成了板片窗附近俯冲沉积物发生了强烈的熔融（图3）。大量俯冲沉积物熔体的加入导致Toba玄武岩具有极度富集的放射性成因同位素组成（图2）。

图2. 苏门答腊岛弧玄武岩与弧后玄武岩Ba/La与La/Yb及δ^98/95Mo与ε_Nd关系图

图3. 苏门答腊岛俯冲板片结构与俯冲沉积物熔融沿弧变化趋势模型图

　　通过对岛弧玄武岩与弧后玄武岩的B同位素分析，发现弧后玄武岩的B同位素组成（δ¹¹B = -9.0‰ to -7.3‰）轻于岛弧玄武岩（δ¹¹B =-7.0‰ to +0.17‰；图4），反映了俯冲沉积物在多阶段脱水与熔融过程中发生了显著的B同位素分馏。然而，苏门答腊岛弧玄武岩（δ^98/95Mo =-0.21‰ to -0.01‰）与弧后玄武岩（δ^98/95Mo = -0.17‰ to -0.08‰）相似的Mo同位素组成则表明Mo同位素在俯冲过程中未发生显著分馏（图4）。与B同位素不同，Mo同位素的分馏受俯冲过程中氧化还原环境的影响。模拟结果显示低氧逸度（fO₂<FMQ+2）会降低Mo的活动性，并抑制Mo同位素分馏行为；而在高氧逸度条件下（fO₂>FMQ+2），Mo的活动性会发生明显上升，并导致显著的Mo同位素分馏行为（图5）。苏门答腊岛弧玄武岩具有相对较低的V/Yb比值，表明加入到其地幔源区的俯冲组分可能产生于氧逸度fO₂<FMQ+1.5的条件下，导致Mo同位素未发生明显分馏（图5）。Mariana岛弧玄武岩具有与苏门答腊岛弧玄武岩相似的低V/Yb的特征，指示加入到其地幔源区的俯冲组分也可能产生于fO₂<FMQ+2的条件下，所以其B同位素组成随着俯冲深度（H）的增加而逐渐变轻，但是Mo同位素则保持不变，显示了低氧逸度下B-Mo同位素不同的分馏行为。Mariana弧后玄武岩具有比岛弧玄武岩更轻的Mo同位素组成，则可能反映了随着俯冲深度的增加，俯冲过程中氧化还原环境的变化。另一方面，Izu岛弧玄武岩具有高V/Yb比的特征，其B-Mo同位素组成在穿弧方向上均具有变轻趋势（图4），显示了Mo同位素在高氧逸度（fO₂>FMQ+3）条件下会发生与B同位素相似的同位素分馏行为（图5）。因此，B-Mo同位素不同的分馏行为反映了俯冲带氧化还原环境的差异性，并导致不同的壳幔物质循环过程。

图4. 苏门答腊岛、Mariana岛弧与Izu岛弧玄武岩与弧后玄武岩B-Mo同位素随俯冲深度变化趋势图，H代表火山至俯冲板片表面的深度。

图5. 苏门答腊岛弧玄武岩与弧后玄武岩δ^98/95Mo与Ce/Mo及V/Yb与Nb/Yb关系图

　　该研究主要受国家自然科学基金（41890812, 42273046）与南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项（GML2022006）资助，已发表于国际期刊《Chemical Geology》。

　　论文信息：Yu Yang (于洋), Huang Xiao-Long* (黄小龙), Lai Yu-Ming (賴昱銘), Li Jie (李杰), Xu Yi-Gang (徐义刚), Chung Sun Lin (钟孙霖), Iwan Setiawan, Yang Fan (杨帆), 2023. Different B-Mo isotopic fractionation processes controlled by redox conditions in the subduction zone. Chemical Geology, 636, 121646.

　　论文链接

　　相关文献：Yu Yang, Huang Xiao-Long*, Chung Sun Lin, Li Jie, Lai Yu-Ming, Iwan Setiawan, Sun Min, 2022. Molybdenum isotopic constraint from Java on slab inputs to subduction zone magmatism. Geochimica et Cosmochimica Acta, 332(1), 1-18.