俯冲带前弧脱碳作用与高δ26Mg流体生成的关联机制：来自含碳酸盐前弧蛇纹岩的约束

针对俯冲带碳循环与镁同位素分馏机制的科学争议，西北大学吴凯团队通过分析勉略构造混杂岩带含碳酸盐蛇纹岩的δ26Mg值，揭示了前弧流体-岩石相互作用对深部碳迁移及弧岩浆Mg同位素特征的控制作用，为解释全球弧岩浆高δ26Mg值现象提供了关键证据。

　　

地球的俯冲带如同巨大的物质传送带，将地表碳通过海洋板块俯冲带入地球深部。然而这个过程中，碳究竟如何从俯冲板片释放并影响弧岩浆形成，一直是地球化学领域的核心谜题。尤其令人困惑的是，全球许多弧岩浆表现出异常高的镁同位素组成（δ²⁶Mg值达+0.06‰），远高于正常地幔值（-0.25±0.07‰），这与俯冲碳酸盐岩（δ²⁶Mg低至-5‰）的预期贡献相矛盾。西北大学的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究，通过剖析勉略构造带含碳酸盐蛇纹岩的镁同位素特征，首次建立了前弧脱碳作用与深部高δ²⁶Mg流体生成的内在联系。

研究团队采用多技术联用策略：激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)分析矿物主量元素，热电离质谱(TIMS)测定全岩及单矿物δ²⁶Mg值，结合热力学模拟计算流体-矿物平衡条件。样本来自勉略缝合带两个典型区域——以低温蛇纹石(lizardite)为主的剑插岭和高温蛇纹石(antigorite)为主的梁垭子。

温度控制的Mg同位素分馏
剑插岭纯利蛇纹石(lizardite)样品δ²⁶Mg值区间狭窄（-0.28‰至-0.13‰），而梁垭子纯叶蛇纹石(antigorite)样品则呈现更大波动（-0.27‰至-0.01‰）。矿物分离分析揭示关键规律：碳酸盐矿物始终比共生蛇纹石轻1.0-1.5‰，且这种分馏程度随温度升高而减弱。例如梁垭子样品中菱镁矿(magnesite)-蛇纹石对Δ²⁶Mg_carb-srp仅0.6‰，显著低于剑插岭低温体系的1.2‰。

流体作用路径重建
质量平衡计算表明，前弧橄榄岩与CO₂流体作用时，镁元素主要保留在固相中（流失量<5%）。热力学模拟显示，在600-700℃高温前弧环境下，大量脱碳产生富CO₂流体，这些流体与地幔楔底部橄榄岩反应形成两类关键产物：同位素重的硅酸盐矿物（如叶蛇纹石，δ²⁶Mg可达-0.01‰）和轻的碳酸盐。当这些硅酸盐矿物在弧下深度分解时，释放的高δ²⁶Mg流体可解释弧岩浆异常特征。

构造背景的调控作用
研究提出二分模型：在热俯冲带（前弧温度>600℃），强烈的前弧脱碳导致大量重硅酸盐形成，后续分解产生高δ²⁶Mg流体，同时因碳酸盐溶解受限造成低CO₂通量；而在冷俯冲带（前弧温度接近叶蛇纹石稳定限），较弱的脱碳作用允许更多板片碳酸盐在弧下深度释放，形成接近正常地幔值的δ²⁶Mg岩浆。

这项研究开创性地将前弧流体-岩石相互作用与全球弧岩浆Mg同位素异常联系起来，不仅完善了深部碳循环模型，更建立了通过蛇纹岩Mg同位素反演古俯冲带热结构的潜在方法。对于理解地球深部碳通量估算和壳幔物质循环具有里程碑意义。