硫是地球系统中关键的挥发性元素之一，在火山活动、金属矿产形成以及全球气候演变等过程中发挥着重要作用。板块俯冲作为连接地表与地球深部的核心物质循环通道，是驱动硫在不同圈层之间迁移与再分配的关键地质过程。然而，俯冲洋壳在深部释放的流体究竟能够携带多少硫进入地幔楔，并最终参与弧火山喷发，长期以来缺乏直接观测证据，成为制约俯冲带硫循环乃至全球硫循环研究的核心科学问题。近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院肖益林教授团队在这一问题上取得重要进展。相关成果以“Sulfur-enriched sub-arc fluids drive deep sulfur cycling in subduction zones”为题，发表在国际学术期刊Nature Communications上。
在大洋俯冲带中，俯冲洋壳在弧下深度发生脱水作用并释放流体。这些流体被认为是将板片中硫迁移至上覆地幔楔、并导致弧岩浆源区硫富集的关键介质。然而，该过程的定量贡献长期存在显著争议，即板片来源流体究竟能够释放并迁移多少硫进入上覆地幔楔。现有研究基于不同的间接证据给出了明显不一致的约束。一方面，基于高压–超高压变质岩及变质脉体的元素和同位素研究，通常认为流体对弧岩浆源区硫的贡献不超过约20%；另一方面，基于弧岩浆岩的地球化学反演结果则指示，板片来源硫的贡献可高达约70%。如此显著的差异表明，我们对俯冲带硫迁移过程的认识仍存在关键“解耦”。其根本原因在于，目前缺乏对弧下深度流体本身组成的直接定量约束。因此，解决这一问题的关键在于：对俯冲带流体中硫含量进行直接测量，并在此基础上开展可靠的硫通量估算，从而实现对板片–地幔楔–弧岩浆之间硫迁移过程的统一认识。
流体包裹体是封存深部流体组成信息的直接载体，为约束俯冲带流体的性质及其化学组成提供了独特而可靠的研究对象。通过对高压–超高压变质岩及其相关变质脉体中流体包裹体的系统研究，可以实现对流体中硫含量的直接定量约束，并进一步开展硫通量估算，从而为解决上述争议提供关键证据。在大洋俯冲体系中，蚀变洋壳被认为是最主要的硫输入端元。基于此，本研究选取了成因明确、地质背景清晰的西藏松多榴辉岩作为研究对象。前人研究表明，该区榴辉岩经历了典型的超高压变质作用，其峰期压力条件大于2.7GPa，对应弧下关键深度范围（约80–100km）。这一独特的压力条件，使其成为记录俯冲带深部流体过程的理想载体；其中发育的流体包裹体能够有效保存弧下深度流体的原始组成信息，从而为定量约束板片释放流体的硫迁移能力提供了重要窗口。
松多榴辉岩中发育大量流体包裹体，本研究重点针对绿辉石中的流体包裹体开展系统分析。选择绿辉石作为主要研究矿物，主要基于两方面考虑：其一，绿辉石在超高压条件下通常表现为单阶段生长，相较于石榴石等多阶段生长矿物，更有利于保留变质峰期（对应弧下深度）的流体信息；其二，绿辉石中普遍发育大量多相流体包裹体，具备良好的统计代表性与研究基础。这些包裹体在绿辉石中多呈长柱状，沿晶轴定向分布或孤立产出，尺寸范围约为长5–50μm、宽3–10μm。激光拉曼光谱分析进一步表明，这些包裹体的相组合高度一致，主要由卤水（H2O–NaCl体系）、方解石以及黄铜矿三相组成（图1和图2A）。
图1 西藏松多榴辉岩绿辉石中多相流体包裹体的拉曼三维成像
针对上述多相流体包裹体，本研究采用近年来建立的激光拉曼三维建模方法开展定量分析。该方法已成功应用于大别山超临界流体研究（相关方法详见作者发表于PNAS的工作），能够对包裹体内部各相的空间分布及其体积比例进行精确约束。在本研究中，我们对单个包裹体进行逐层三维拉曼扫描与重建，获得各相的体积信息，并进一步结合不同相的密度及化学计量关系计算其质量分数，从而实现对流体整体组成的直接定量约束。定量结果表明，该类包裹体具有显著的富溶质特征，且组成高度一致：平均含量为6.33wt.%S，6.33wt.%Cu，5.54wt.%Fe，10.16wt.%CaO，15.23wt.%C(as CO32-)，3.22wt.%Na，5.25wt.%Cl，47.96wt.%H2O（图2B）。由于这些多相流体包裹体形成于超高压峰期条件，并被绿辉石有效封存，其组成可被视为俯冲带弧下深度流体的直接记录，从而为约束板片释放流体的真实化学组成提供了可靠依据。
图2 多相流体包裹体中各子相体积分数及其组成示意图
那么，这类富硫流体的成因机制应如何理解？本研究从流体的物理性质与化学组成两个方面进行了系统分析。在俯冲带环境中，通常可识别三类流体/熔体体系：富水流体、含水熔体以及超临界流体。其中，近年来的研究普遍认为，超临界流体由于兼具富水流体与含水熔体的性质，具有显著增强的元素溶解能力，是高效迁移硫等挥发分及金属元素的关键介质。就本研究而言，多相流体包裹体所记录的组成特征（约40wt.%H2O与约60wt.%溶质）已明显偏离普通富水溶液范围，更接近超临界流体的典型化学组成。同时，包裹体的捕获压力约为2.7GPa，接近玄武岩–H2O体系的第二临界点压力（~3.0GPa）。尽管略低于该临界压力，但流体中较高的碳含量（约3wt.%）可能对体系的临界性质产生重要影响。已有研究表明，碳（以CO32-或CO2形式存在）的加入可有效降低体系的第二临界压力，从而使流体在相对偏低压力条件下进入超临界状态。因此，综合其高溶质含量、接近临界条件的压力环境以及富碳特征，本研究认为这些包裹体记录了俯冲带弧下深度超临界流体的存在。这一认识为解释其异常高的硫含量提供了关键依据。此外，流体中富集的Ca、Na和Cl等主要组分，也被认为能够显著增强硫（尤其是氧化态硫）在流体中的溶解度，从而进一步促进硫在深部流体中的富集与高效迁移。
考虑到松多榴辉岩形成于典型的冷俯冲带环境，而全球俯冲体系以冷俯冲带为主，因此，本研究获得的流体硫含量对评估全球俯冲带硫通量具有重要代表性。在开展硫通量估算之前，首先需要对水通量进行约束，因为水是驱动挥发分迁移的主要载体。基于热力学模拟结果，松多榴辉岩记录了约~60%的板片脱水比例（图3A）。在此基础上，结合全球俯冲带蚀变洋壳的厚度及俯冲带长度等关键参数，估算得到弧下深度（~90km）处的水通量约为~91 Mt/yr。进一步结合本研究基于流体包裹体定量获得的流体组成（包括H2O与S含量），可将水通量转换为硫通量，估算全球蚀变洋壳在弧下深度释放的硫通量约为~11.7Mt/yr。该结果表明，俯冲板片在弧下深度通过富硫流体可释放约三分之一的硫进入地幔楔。进一步的质量平衡计算显示，在持续约6.5–22.7Myr的流体交代作用下，上覆地幔楔的硫含量可由初始约150ppm显著提升至约250–500ppm（图4）。该富集幅度足以解释弧岩浆源区中普遍观测到的高硫特征，并表明板片来源流体可贡献约60–80%的弧岩浆硫来源。总体而言，这一基于直接定量结果的通量估算，不仅为俯冲带硫迁移效率提供了关键约束，也在全球尺度上解决了俯冲板片输入与弧岩浆输出之间长期存在的不平衡的争议。
图3 松多榴辉岩体系的热力学模拟：板片脱水比例及俯冲带流体中硫种型特征
图4 弧下交代地幔中硫富集的约束
此外，本研究还对包裹体中黄铜矿的成因机制进行了系统分析。结合松多地区的热力学模拟结果可知，在弧下深度条件下，硫主要以氧化态形式（如硫酸根）存在于流体中（图3B）。进一步通过评估流体包裹体与寄主矿物之间的反应关系，发现包裹体周围绿辉石中Fe含量最大变化约为0.4wt.%，表明在包裹体形成及其后期演化过程中，流体与寄主矿物之间发生了有限但可识别的元素交换。这一现象指示：原本以氧化态存在的硫在包裹体封存后，可能通过与寄主矿物之间的还原反应转化为还原态硫物种。在此基础上，还原态硫与包裹体中共存的Cu和Fe发生反应并沉淀形成黄铜矿，从而解释了多相流体包裹体中硫化物矿物的形成机制。该过程揭示了从“氧化态硫迁移”到“局部还原沉淀”的转化路径。这一认识进一步表明，弧下深度富集硫的氧化性流体不仅能够高效迁移硫，同时也具备显著的铜迁移能力，为弧岩浆源区的硫富集及斑岩型铜矿的形成提供了关键的物质来源约束。
总体而言，本研究通过对弧下深度流体中硫含量的直接定量约束，在天然体系中建立了俯冲板片脱水–地幔楔交代–弧岩浆形成之间的关键物质联系，显著推进了对俯冲带深部硫循环的迁移机制与通量特征的认识（图5）。
图5 俯冲带硫循环示意图
文章信息：
论文第一作者为中国科学技术大学特任副研究员谭东波博士，通讯作者为肖益林教授。该研究得到国家自然科学基金重点项目、青年基金项目及国家重点研发计划的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71439-3
（以上文章来源于化学星球微信公众号，作者谭东波、肖益林）
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