俯冲作用可以将挥发分及不相容元素再循环至深部地幔中，因此俯冲作用在地球表面和内部的物质交换过程中具有重要意义。作为不相容元素和强流体活动性元素，钾元素具有示踪壳幔循环的潜力，并且结合新兴的钾稳定同位素体系，越来越多的研究表面钾及其同位素体系可以有效示踪岛弧源区再循环地壳物质的贡献。然而，这些钾同位素的信息如何从俯冲板片运送至上覆地幔楔及岛弧岩浆，目前仍缺乏系统研究。

       近期美国华盛顿大学Kun Wang和法国蒙彼利埃大学Dmitri A. Ionov系统研究了俄罗斯勘察加半岛地幔捕虏体的钾同位素组成，结果显示地幔橄榄岩捕虏体具有极大的钾同位素变化范围，并且大部分具有重于亏损地幔的钾同位素组成，表明板片流体运移具有重钾同位素特征的信号至岩石圈地幔，证明钾同位素是弧下地幔流体活动的有效示踪剂。相关成果近期发表于Earth and Planetary Sciences Letters。

       研究显示俯冲带沉积物和蚀变洋壳均具有高的钾含量，俯冲带岩石圈地幔则具有极低的钾含量。此外，俯冲带沉积物和蚀变洋壳均具有大的钾同位素变化范围，并且两者分别具有轻于和重于亏损地幔的钾同位素组成，这些研究表明钾同位素体系可以识别岛弧岩浆源区不同俯冲物质的贡献。并且研究显示蚀变洋壳在俯冲带变质脱水过程中可以释放具有重钾同位素的流体进入地幔楔，因此，钾同位素可以有效示踪弧下地幔的流体活动。基于此研究背景，Wang and Ionov选择了勘察加半岛Avacha弧火山携带地幔橄榄岩捕虏体开展了系统的钾同位素研究（图1）。样品包含15个尖晶石方辉橄榄岩、5个堆晶岩和2个岛弧岩石。

图1 勘察加半岛Avacha岛弧火山位置图

       分析结果显示方辉橄榄岩捕虏体钾浓度范围为6-32ppm，堆晶岩中钾浓度为1521-1992ppm，显著高于橄榄岩捕虏体。方辉橄榄岩钾同位素组成变化显著，δ⁴¹K范围为-1.70至+1.16‰，并且相比于亏损地幔，大部分橄榄岩捕虏体样品更为富集重钾同位素（图2）。寄主岩石样品具有较为有限的钾同位素变化范围，δ⁴¹K范围为-0.53至-0.34‰（图2）。

图2 勘察加半岛地幔橄榄岩捕虏体和全球非俯冲带橄榄岩捕虏体钾同位素组成

       基于地幔橄榄岩捕虏体显著的钾同位素变化范围，该研究提出了两种成因机制：

       （1）对于具有显著轻于亏损地幔钾同位素组成的地幔捕虏体，该研究认为其成因机制可能是扩散驱动的动力学同位素分馏，数值模拟的计算也表明在合理的扩散系数、时间尺度、浓度差范围内，局部形成的具有类似亏损地幔钾同位素组成的富钾熔体/流体，可以通过扩散作用产生在全球橄榄岩中观察到的较轻的钾同位素变化范围（图3）。并且，该研究还发现扩散作用可以形成橄榄岩捕虏体钾浓度和钾同位素组成之间的负相关。因此，该研究进一步提出钾浓度与钾同位素之间的负相关可以成为扩散作用的判定指标（图3）。

图3 不同扩散系数、时间尺度、浓度差等条件下，钾同位素扩散分馏剖面

       （2）对于具有重于亏损地幔钾同位素组成的地幔捕虏体，该研究发现其钾同位素组成与K/Nb比值具有正相关，表明其重钾同位素可能反应了板片分异流体的交代（图4）。此外，橄榄岩捕虏体中最重的钾同位素组成与前人获得的板片分异流体的钾同位素组成类似，并且，样品的钾同位素组成与板片熔流体中结晶的角闪石丰度具有正相关，这些证据都证明板片流体的交代是形成橄榄岩捕虏体重钾同位素的关键因素（图4）。

图4 俯冲带地幔橄榄岩捕虏体钾同位素组成与钾浓度、K/Nb比值及角闪石丰度相关性图解

       综合以上结果，该研究提出俯冲带钾同位素体系可以有效示踪岛弧岩浆源区的壳源物质贡献。即，板片流体富集重钾同位素，而沉积物熔体则富集轻钾同位素。岛弧岩浆是在地幔楔软流圈熔融过程中形成的，大部分钾元素是从环境地幔中获得，并在熔融过程中富集，从而显著稀释了脱水流体的重钾同位素特征。因此，大部分岛弧岩石具有与亏损地幔类似的钾同位素组成。相反，地幔橄榄岩捕虏体具有极低的钾含量，因此更容易记录板片流体交代过程。

       论文信息：Wang, K., & Ionov, D. A. (2023). Potassium isotope evidence for slab-derived fluids in the sub-arc mantle. Earth and Planetary Science Letters, 619, 118315. 

       https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118315