俯冲带流体主导的钾同位素跨弧变化及其对全球钾循环的启示

为揭示俯冲带弧岩浆源区流体特征及全球钾(K)循环机制，研究人员对堪察加半岛220 km跨弧剖面的32个弧熔岩开展K同位素(δ41K)分析。发现东部火山前缘(EVF)和中央堪察加凹陷(CKD)熔岩δ41K值(-0.48‰至-0.19‰)高于地幔值(-0.42‰)，证实俯冲板片流体对地幔源区的改造，并通过K-O同位素与流体指标(K/Nb、Sb/Ce等)相关性揭示夏威夷-皇帝海山链流体的贡献。该研究为俯冲带流体元素循环提供了新的同位素示踪工具。

　　

【研究背景】
地球俯冲带如同巨大的"元素回收站"，将地表物质通过板块运动重新循环至深部地幔。其中钾(K)作为地壳和海水中的关键流体活动性元素，其循环过程直接影响弧岩浆形成与大陆地壳演化。然而，传统地球化学指标难以区分俯冲带中板片流体与沉积物的贡献，特别是对于以流体主导的俯冲系统（如堪察加半岛），钾循环机制仍存在争议。近年来，高精度钾同位素分析技术(δ⁴¹K)的突破为这一难题带来曙光——低温蚀变过程可产生显著K同位素分馏，而高温岩浆过程则保持同位素守恒，这使其成为追踪俯冲带流体活动的"指纹密码"。

【研究方法】
中国科学技术大学等机构的研究团队选取堪察加半岛9座全新世火山32个熔岩样本，沿220 km跨弧剖面（从弧前EVF经CKD至后弧SR）进行系统采样。通过MC-ICP-MS高精度测定K同位素组成，结合已有主微量元素、Sr-Nd-Pb-Hf-O-Li-Tl-Cu-Zn-Mo-V-Cr同位素数据，采用流体指标(K/Nb、Sb/Ce、Pb/Ce、As/Ce)与同位素耦合分析，排除沉积物混染和岩浆分异影响，聚焦板片流体对地幔源区的改造特征。

【研究结果】

1. 钾同位素空间分布特征
   EVF熔岩δ⁴¹K值(-0.48‰至-0.19‰)高于地幔值(-0.42‰)，与Pb同位素呈正相关，表明板片流体交代地幔源区；CKD熔岩δ⁴¹K(-0.39‰至-0.25‰)与δ¹⁸O及流体指标(Sb/Ce等)同步升高，揭示夏威夷-皇帝海山链脱水流体的输入；北中央堪察加凹陷(NCKD)样品高δ⁴¹K(-0.32‰)伴随高Sr/Y比值，指示板片熔体贡献。

2. 流体与熔体的区分机制
   EVF-CKD熔岩δ⁴¹K与B/Nb比值呈正相关，符合流体活动性元素行为；而NCKD高Sr/Y样品反映熔体交代特征，说明K同位素可有效区分流体/熔体两种板片物质传输方式。

3. 全球对比意义
   相比沉积物影响的弧系统（如小安地列斯弧δ⁴¹K低至-0.66‰），堪察加"纯流体"端元证实板片脱水可产生富⁴¹K流体，残余板片则亏损⁴¹K（如榴辉岩δ⁴¹K达-1.64‰），建立完整的俯冲带K同位素分馏模型。

【结论与意义】
该研究首次在流体主导的堪察加俯冲系统揭示：
1）板片脱水产生的富⁴¹K流体可显著改变地幔楔同位素组成；
2）K同位素与多同位素体系（Pb-O）联用可有效解耦流体与沉积物贡献；
3）建立"低δ⁴¹K板片残留体+高δ⁴¹K弧岩浆"的全球钾循环新范式。
发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》的这项成果，为理解俯冲带物质循环提供了创新性同位素工具，对揭示大陆地壳生长机制具有重要启示。