物质的俯冲循环对地球内外圈层相互作用、地球宜居环境演变、人类发展所需矿产资源的形成等多方面产生深远影响。其中与金属元素迁移富集和氧逸度相关的科学问题是国际研究的前沿和热点，一直备受关注。俯冲带广泛发育以斑岩型矿床为代表的岩浆热液矿床。同时，岛弧岩浆具有富水和高于洋中脊玄武岩（MORB）氧逸度的特征，这通常被认为是俯冲板片释放的氧化性熔体或流体加入地幔楔造成的。大量的理论计算和实验研究都预测氧化的板片熔流体会造成板片中的硫化物不稳定，从而释放大量的金属进入地幔楔，为俯冲带相关的矿床提供巨量金属 (e.g.,Mungall, 2002; Canil and Fellows, 2017; Sun et al., 2017)。

然而，全球的天然样品表明，原始岛弧玄武岩的铜含量（约80 ppm）与MORB相当 (e.g., Lee et al., 2012)，意味着俯冲板片贡献的铜含量有限；而且交代的岛弧橄榄岩通常并不显示铜和金的显著富集 (e.g., McInnes et al., 1999; Savov et al., 2007)。但是，诸多交代橄榄岩和原始岛弧玄武岩的确具有高氧逸度的特征，如存在硫酸盐相、∆FMQ 高达 +1 to +1.5 (e.g., Parkinson and Arculus, 1999; Bénard et al., 2018; Zelenski et al., 2018)。造成原始岛弧岩浆高氧逸度但缺乏铜的显著富集的具体原因尚不清楚。

针对以上难点问题，中国地质大学（武汉）汪在聪教授联合中国地质科学院李毅兵研究员及其他合作者，从大洋俯冲起始到成熟岛弧演化的角度，选择了全球极具代表性的伊豆小笠原-马里亚纳（Izu-Bonin-Mariana, IBM）岛弧岩浆体系和东太平洋MORB为研究对象，通过对它们的铜含量及其Cu同位素（δ⁶⁵Cu）的研究来尝试回答这一重要问题 (Wang et al., 2021)。IBM岛弧完整保留了IBM俯冲带从俯冲起始到成熟岛弧整个阶段形成的岩浆产物（约52 Ma至今从早到晚依次为弧前玄武岩（forearc basalts）、玻安岩（boninites）、高镁安山岩（high-Mg andesites）和岛弧玄武岩，图1）。因此，这些样品有利于认识从俯冲起始到成熟岛弧演化不同阶段的岛弧岩浆氧逸度演变及相应的铜的迁移释放。另一方面，铜是重要的成矿元素，也是一个变价的氧逸度敏感元素。Cu同位素在含氯俯冲流体迁移过程中，特别是在氧化的情况下，会发生显著分馏。如果板片释放的熔流体是氧化的，或氧化性的流体通过太平洋板片上部的辉长岩和MORB，就会伴随铜的释放及Cu同位素的分馏，从而造成地幔楔及由其部分熔融产生的原始岛弧岩浆富集铜和偏重的δ⁶⁵Cu（图2）。需要强调的是，铜含量和Cu同位素需要联合使用，而不能简单的偏看一个指标。例如，如果太平洋洋壳板片释放的铜有限，主要是引起Cu同位素的变化，对铜含量影响微弱；如果板片释放大量铜，可以引起铜含量和Cu同位素共同的异常（图2）。

图1. Izu-Bonin-Mariana (IBM)岛弧体系以及研究样品的典型地球化学特征。

研究结果表明，弧前玄武岩几乎没有受到俯冲板片的影响，因此其岩石地球化学特征，包括铜含量以及δ⁶⁵Cu整体与MORB类似。由于俯冲板片释放的物质快速迁移循环，从玻安岩开始，IBM岛弧岩浆就表现出富水和高氧逸度的特征 (Brounce et al., 2021)。更为重要的是，由于经历过早期的熔体抽取，玻安岩的源区高度亏损 (Pearce and Reagan, 2019)，铜也相应的非常亏损，因而玻安岩比岛弧玄武岩更容易显示出因俯冲加入引起的铜含量和δ⁶⁵Cu的异常。然而，氧化且富水的玻安岩并没有记录到俯冲板片的铜加入，也没有显示出重的δ⁶⁵Cu（图2-4）。IBM各阶段岛弧岩浆的铜含量其实主要反映了其地幔楔源区的亏损程度。统计结果表明，全球其它地区的玻安岩和岛弧玄武岩也具有与IBM岛弧岩浆岩类似的特征，意味着IBM岛弧的结果可能反映的是洋壳俯冲的普遍现象。因此，从俯冲起始到成熟岛弧阶段，俯冲大洋板片对地幔楔铜的贡献都极为有限（图2-4）。这一认识进一步由地幔楔橄榄岩并不特别富集铜所证实 (Wang et al., 2021)。

图2. 俯冲板片加入对地幔楔铜含量富集程度及其Cu同位素的影响。模拟采用的不同分馏因子代表不同氧化还原状态的熔流体。黑色数字（10%-70%）代表太平洋大洋板片的铜释放比例，红色数字代表俯冲板片的加入量（3%-20%）。整体上，如果太平洋板片释放出铜，将显著改变地幔楔铜含量和Cu同位素。但这与观测结果不吻合。

图3. IBM岛弧体系的铜含量及其它地方样品的对比图。玻安岩和岛弧玄武岩由于高氧逸度，早期表现出硫化物不饱和的演化趋势。俯冲板片物质的加入并没有使氧化的、富水的原始玻安岩富集铜。

图4. IBM岛弧岩浆岩的Cu同位素特征。除个别样品可能受蚀变影响外，整体上与MORB和岛弧玄武岩类似，不随俯冲板片影响程度的增加而显著变化。

大洋板片俯冲脱熔流体的过程中铜的有限释放具有重要的意义：反映了板片熔流体整体是还原的，硫化物、铜和其它金属仍被大量保存在大洋板片中。该认识与西南天山洋壳榴辉岩的天然观测和实验结果一致 (Li et al., 2019; Li et al., 2020)。天然样品和实验模拟表明，还原的板片熔流体与地幔楔橄榄岩通过复杂的水岩反应，可以产生氧化的地幔楔 (Tollan and Hermann, 2019; Iacovino et al., 2020)。作者采用这一机制，进而提出了大洋板片俯冲过程中铜迁移循环和氧逸度演变的新模型：大洋板片俯冲的各个阶段释放出整体还原性、富氯但贫铜的熔流体，沿着迁移通道与地幔楔橄榄岩反应，产生不同氧化程度的地幔楔，经过部分熔融形成高氧逸度的原始岛弧岩浆（图5）。氧化的岛弧岩浆具有高的硫溶解度，从而促进地幔楔自身的金属释放进入岛弧岩浆。然而，由于地幔楔早期的熔体抽取造成其亏损，铜含量很低，导致部分熔融形成的原始玻安岩和岛弧玄武岩并不比MOBR更富铜。该过程有效解释了原始岛弧岩浆的金属含量、δ⁶⁵Cu以及岛弧岩浆早期硫化物不饱和演化的特征。这一结果也对俯冲带金属成矿有着重要的意义：交代地幔楔并未存在显著的金属富集；流体和氧逸度调节的弧岩浆热液演化过程才是控制俯冲带相关矿床形成的关键。

图5. 大洋俯冲板片从俯冲起始到成熟阶段，铜迁移与氧逸度演变的概念图。俯冲起始阶段，减压部分熔融形成的弧前玄武岩几乎没有受到俯冲板片的影响，其铜含量以及δ⁶⁵Cu整体与MORB类似。太平洋洋壳释放出还原的、富氯但贫铜的熔流体交代地幔楔，通过复杂的水岩反应，造成地幔楔的氧化。地幔楔的含水部分熔融形成高氧逸度高硫溶解度的原始岛弧岩浆，有利于地幔楔自身的金属释放进入岛弧岩浆。玻安岩和岛弧玄武岩的铜含量和δ⁶⁵Cu没有受到俯冲板片的显著影响，主要继承于地幔楔。因此，大洋板片俯冲脱熔流体的过程中，铜的释放非常有限。这反映了板片熔流体整体是还原的，硫化物、铜和其它金属仍被大量保存在大洋板片中，俯冲进入深部地幔。

文章信息：Wang, Z.*, Zhang, P., Li, Y.*, Ishii, T., Li, W., Foley, S., Wang, X., Wang, X., Li, M., 2021. Copper recycling and redox evolution through progressive stages of oceanic subduction: Insights from the Izu-Bonin-Mariana forearc. Earth Planet. Sci. Lett. 574, 117178. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21004337

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