弧带岩石中的重铁同位素揭示俯冲带中的缺氧沉积物再循环

古老泥质与现代火山

俯冲带上的火山由返回地球内部的洋壳驱动，这些洋壳在下沉时将海底沉积物一并带入地幔。该研究探讨了富含铁的、不寻常的古代泥质（形成于缺氧海域）如何在为现代火山供给熔岩的过程中留下化学指纹。通过解读这些指纹，科学家获得了有关地球如何将表层物质深度再循环以及行星内部化学如何随时间演化的新线索。

诞生于构造十字路口的岩石

研究者分析了中国东北富东地区的早侏罗世火成岩，该处曾有古太平洋板块在亚洲大陆之下俯冲。这些主要为闪长岩的岩石形成于约1.78亿年前的弧环境——这种环境常伴随爆炸性岩浆活动和许多金属矿床。化学分析显示，这些岩石具有典型的俯冲相关岩浆指纹：某些易熔的大离子亲石元素富集，而倾向于留在固相矿物中的元素则存在亏损。它们的锶、钕和铪同位素也表明，随俯冲板块带入的地壳物质在其成因中起了关键作用。

地质难以解释的重铁

当团队测定这些弧岩的铁同位素时，发现数值异常“重”，即比典型的地幔来源熔岩含有更多的重铁同位素。事实上，全球大多数弧熔岩通常显示相反的、较轻的铁同位素特征。作者系统地检验了此类差异的常见解释。发生在岩浆上升与冷却近地表过程——如矿物结晶、与大陆地壳混合或后期风化——都无法解释观测到的重铁。同样，弧下地幔熔融程度的差异也不能解释：铁与钼的同位素数据表明，仅靠部分熔融产生的变化远不足以说明这些观测结果。

用铁与钼追踪隐藏的沉积物

为了追寻重铁的来源，科学家将其数据与全球弧熔岩的已发表测量值进行比较。在滤除已知过程（如蛇纹石水合作用）影响的样品后，他们发现许多镁铁质弧岩的铁同位素与放射性锶和钕存在相关性——这些信号指向被再循环的沉积物。第二个线索来自钼，这种元素的同位素对地表环境条件很敏感。富东岩石显示出相对重的钼同位素和较高的铈/钼比，这一组合最好解释为来自在缺氧条件下形成的沉积物输入，例如沉积于古代受限海域或湖泊的黑色页岩和铁矿层。

从缺氧海底到被改性的地幔

作为这类缺氧沉积物的代表，中国三峡地区的黑色页岩显示出既重的铁又非常重的钼同位素。模型模拟表明，如果仅约1%到10%的来自这些沉积物的熔体混入俯冲板上方的地幔楔，就能再现富东弧岩中同时观测到的铁、钼、锶和钕的同位素特征。当这些富含沉积物的水质熔体在地幔中渗透并与橄榄岩反应时，会将其转化为辉石富集的岩石。由于辉石相对于橄榄石往往具有更重的铁同位素，这一被改性的地幔源自然会产生具有观测到的重铁信号的熔岩。

对地球深部再循环的意义

简而言之，该研究表明某些火山岩保留了古代缺氧海底被拖入地球深处的化学记忆。这些弧熔岩中异常的铁与钼同位素模式最好用缺氧沉积物熔体渗入并改造地幔、随后再次熔融产生的情形来解释。该工作提供了直接的地球化学证据，证明此类沉积物在俯冲带中被再循环，并能显著影响弧岩浆的化学特征。通过解码这些微妙的同位素指纹，科学家对地球如何不断重塑其表层物质有了更清晰的认识，将古老的海洋与湖泊与构建今日新地壳的岩浆联系起来。

引用: Wang, Z., Dai, LQ., Zhao, ZF. et al. Heavy iron isotopes in arc rocks reveal anoxic sediment recycling in subduction zones. Commun Earth Environ 7, 297 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03315-3

关键词: 俯冲带, 弧上火山作用, 缺氧沉积物, 铁同位素, 钼同位素