陈意等-JGR: 翡翠揭秘俯冲带弧前碳循环

　　全球碳循环过程是理解地球内部如何运行的重要研究内容。地表碳通过俯冲板块进入地球内部，而后通过火山作用释放到地表，该过程维持地球内外部之间长期的物质—能量平衡，最终影响地表宜居环境。目前研究较多的是岛弧和俯冲带更深部的碳循环过程，而较浅的弧前由于缺少岩浆作用，所以这一部位的碳迁移过程和机理仍不为人所知，直接影响了俯冲带碳通量的限定。 

　　翡翠（又称硬玉岩），是大洋俯冲板块在弧前深度释放的流体结晶或交代而形成的玉石，是了解弧前流体活动和碳循环的理想窗口。中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室陈意副研究员与中国科技大学黄方教授等合作，选择来自全球品质最好的缅甸翡翠，综合运用矿物学和新兴的镁同位素来约束俯冲带弧前碳循环过程。 

　　研究发现，白色翡翠中的硬玉在电子背散射图像和阴极发光图像下均显示典型的韵律环带，为弧前Na-Al-Si流体直接结晶而成，且具有比地幔明显偏轻的Mg同位素组成（图1）；绿色翡翠发育典型的Cr尖晶石与Na-Al-Si流体的交代结构，其Mg同位素比白色翡翠略重，但仍比地幔轻。这表明俯冲带弧前Na-Al-Si流体具有轻Mg同位素组成。白色翡翠的δ26Mg与CaO/Al2O3、CaO/TiO2和Sr均呈现负相关，说明弧前流体有碳酸盐加入；MgO/Al2O3与δ26Mg无明显相关性，则表明进入流体的碳酸盐矿物为CaCO3（图2）。通过进一步模拟计算，他们发现弧前流体仅需溶解极少量的CaCO3，即可显著降低流体的Mg同位素组成。 

图1 缅甸翡翠及其围岩的Mg同位素特征

图2 翡翠及围岩的δ26Mg与CaO/Al2O3、MgO/Al2O3、CaO/TiO2和Sr相关性图解

　　该研究直接论证俯冲带弧前深度（<80 km）的流体由于溶解碳酸盐而具有轻Mg同位素的特点（图3），这一特征不同于弧下深度（80-150 km）的流体，因为岛弧岩浆岩普遍显示较地幔相近或略重的Mg同位素组成。两者的差异是由于俯冲带不同深度流体Mg含量差异、脱水矿物Mg同位素差异以及碳酸盐溶解能力差异综合所致。因此，俯冲带不同深度的流体可能具有不同的Mg同位素组成，进而导致不同深度的地幔楔呈现Mg同位素不均一。 

图3 俯冲带弧前流体释放和碳酸盐溶解 

　　该项研究的科学意义包括：（1）拓展Mg同位素应用领域，不仅能示踪深部（>150 km）碳循环，还能示踪俯冲带浅部（<80 km）碳循环；（2）揭示弧前地幔楔可能是重要的碳储库。 　　  

　　研究成果发于Journal of Geophysical Research: Solid Earth。（Chen Y, Huang F, Shi G H, et al. Magnesium isotope composition of subduction zone fluids as constrained by jadeitites from Myanmar[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2018, 123(9): 7566-7585.）（DOI: 10.1029/2018JB015805）