准确限定俯冲板片释放流体的元素和同位素组成，是示踪地球内部物质循环的关键环节。俯冲蛇纹岩脱水释放的流体被认为是导致岛弧岩浆具有高氧逸度和轻Fe同位素组成的重要原因。然而，对于蛇纹岩流体是否确实携带轻Fe同位素特征，目前的认识仍不清楚，特别是缺乏可靠的天然样品约束。针对这个问题，中国科学技术大学陈伊翔教授团队对阿尔卑斯造山带变质蛇纹岩内的异剥钙榴岩开展了系统的Fe同位素分析，限定了蛇纹岩脱水流体的铁同位素组成这个重要参数，为理解俯冲带蛇纹岩相关的流体活动和物质循环提供了关键约束。相关成果近期发表于Earth and Planetary Science Letters。
存在的争议：弧岩浆的轻铁同位素来源
全球弧岩浆总体上具有比洋中脊玄武岩更轻的Fe同位素组成和更高的氧逸度。对于这些特征的形成，究竟是地幔楔内部的演化过程主导，还是与俯冲板片物质的贡献有关，目前仍存在争议。近期研究认为，蛇纹岩脱水引发的流体交代是潜在的重要过程。
然而，关于蛇纹岩流体是否确实携带轻Fe同位素特征这一关键假设缺乏直接证据，已有研究给出不同的认识。难点在于，蛇纹石脱水释放的流体量较少，伴随的同位素分馏信号容易被残留岩石所缓冲，因此难以直接从变质蛇纹岩的研究中识别流体的特征（图1）。而高流体/岩石质量比条件下的交代作用能够放大流体信号。因此，寻找能够灵敏记录流体特征的天然样品载体，成为解决这一争议的关键。
图1：蛇纹石化深海橄榄岩和变质蛇纹岩FeO含量及δ56Fe值对比。深海橄榄岩与经历俯冲脱水的变质蛇纹岩在δ56Fe值上差异并不显著，均值基本落在误差范围内，表明变质脱水过程对残留蛇纹岩的Fe同位素组成影响十分有限。
思路创新：蛇纹岩内变质异剥钙榴岩脉记录流体特征
为避免传统变质蛇纹岩研究的局限性，研究团队将目光投向变蛇纹岩中产出的交代变质辉长岩脉（异剥钙榴岩）。这类岩石通常呈分米至米级透镜状或脉状产出于蛇纹岩中，能够与其寄主蛇纹岩一同俯冲到地幔深度，经历共同的变质过程。这种被包裹的产状为其受寄主蛇纹岩脱水流体交代提供了有利条件，且二者巨大的体积差异有助于高流体/岩石比的实现，从而可以使其更有效地记录流体信号。
基于以上考虑，团队在对阿尔卑斯造山带前期的研究基础上（Chen et al., 2016-EPSL, 2020-GCA, 2023-NSR; Xiong et al., 2021-GCA, 2022-GCA, 2023-JGR, 2024a,b-GCA），选取了意大利阿尔卑斯造山带Voltri地块变蛇纹岩内产出的变质异剥钙榴岩、变质辉长岩（榴辉岩），并与亚平宁地区北部未经历俯冲作用的低压异剥钙榴岩进行对比。前人研究表明，这些岩石均源自类似的富铁钛氧化物辉长岩原岩，为识别俯冲相关过程提供了理想的研究对象。
全岩Fe同位素分析结果显示，未经历俯冲的低压异剥钙榴岩的δ56Fe值与洋底辉长岩范围一致，表明洋底异剥钙榴岩化过程本身没有导致可分辨的Fe同位素变化。变蛇纹岩内的榴辉岩块体具有与MORB相近的Fe同位素组成，但偏离预测的原岩值，暗示其铁同位素组成可能受到了改造。变质异剥钙榴岩则表现出相对原岩系统偏轻的Fe同位素组成特征（图2）。
岩相学观察发现，变质异剥钙榴岩内发育与高压变质相关的脉体，表明流体活动的存在。结合其它地球化学组成，可以排除封闭体系变质作用和扩散控制的质量迁移等可能性，提出变质异剥钙榴岩中显著的Fe同位素偏轻特征只能通过与蛇纹岩脱水释放流体的交代反应来解释。该结果从天然样品角度证实蛇纹岩脱水释放的流体确实具有偏轻的Fe同位素特征。
图2：异剥钙榴岩等岩石的Fe同位素组成。MORB岩浆演化会逐渐富集重Fe同位素，晚期形成的氧化物辉长岩相较于早期形成的辉长岩具有较高的δ56Fe值。蛇纹岩体内榴辉岩和变质异剥钙榴岩具有偏轻的Fe同位素特征，指示其经历外来流体的改造。
为进一步约束蛇纹岩来源流体的Fe同位素组成，我们开展了开放体系流体–岩石反应的定量模拟。基于内部一致的Fe同位素分馏系数数据库，计算了固体矿物与流体之间的Fe同位素分馏系数。结果显示，在500°C条件下，蛇纹岩脱水释放的流体δ56Fe值约为−0.17‰至−0.04‰（取决于流体种型），确实具有偏轻特征。在高流体/岩石比条件下，基性岩石与流体的反应可以合理解释观测到的Fe同位素偏移(图3)。
图3：水岩反应过程中岩石δ56Fe变化特征。蛇纹岩脱水流体具有偏轻的Fe同位素特征，与岩石的反应将使得岩石的δ56Fe值逐渐降低。最终平衡值由流体与岩石之间的分馏系数决定，受温度、流体种型及矿物组合的共同影响。
研究意义：示踪俯冲流体同位素特征的新思路
该研究利用变质异剥钙榴岩作为天然的流体记录器，限定了俯冲带蛇纹岩来源流体的Fe同位素组成信息，为长期以来关于“蛇纹岩流体调控弧下地幔Fe同位素组成”的假说提供了依据。这一成果不仅为理解弧岩浆的氧化还原状态和Fe同位素地球化学行为提供了重要约束，也展示了变质异剥钙榴岩在示踪俯冲带流体来源和性质方面的重要潜力。此外，该研究为未来利用天然样品制约俯冲带流体特征提供了新思路：对于Fe等同位素体系，只有经历显著的质量迁移才能产生出可分辨的同位素组成变化，因此选取经历高流体/岩石比交代作用的样品至关重要。
论文的第一作者为崂山实验室博士后熊家伟（原中国科大博士生），通讯作者为中国科大陈伊翔教授，合作者包括意大利热那亚大学Marco Scambelluri教授、Donato Belmonte副教授，日本东北大学Tatsuki Tsujimori教授等。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部基础学科和交叉学科突破计划、中国科学院PIFI杰出学者项目等的资助。
论文信息：Xiong, J.-W., Chen, Y.-X., Qiao, X.-Y., Xu, J.-L., Li, X.-L., Scambelluri, M., Tsujimori, T., Belmonte, D., 2026. Light Fe isotopic fingerprints of serpentinite-derived fluids recorded by metasomatized mafic dikes in the subducted oceanic lithosphere. Earth and Planetary Science Letters 684, 120024.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120024
（以上文章来源于化学星球微信公众号，作者熊家伟、陈伊翔）
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