初始俯冲是俯冲带形成的最初阶段，标志着两个板块相互作用的开始。初始俯冲过程中广泛发育的含水熔/流体活动对俯冲带的物质组成、结构演化和动力学过程产生了深远影响。因此深入理解初始俯冲过程中释放含水熔/流体的性质及其与上覆地幔楔之间的相互作用机制，对于认识全球物质循环至关重要。

塞浦路斯Troodos蛇绿岩保存了完整的蛇绿岩岩石序列，被认为是特提斯洋初始俯冲阶段的产物，是研究俯冲起始和熔/流体-岩石相互作用的理想样品。中国科学院地质与地球物理研究所的博士研究生潘旗旗与导师肖燕副研究员及其合作者，对Troodos蛇绿岩洋壳序列的枕状熔岩、辉绿岩、辉长岩和斜长花岗岩等50个样品开展了岩石学、元素地球化学和K同位素分析。结果显示，这些岩石具有异常重的K同位素特征（图1），辉长岩和斜长花岗岩K同位素变化范围较小，分别为0.01 ~ 0.20‰和−0.17 ~ 0.02‰；辉绿岩的δ⁴¹K值有较大的变化范围（−0.24 ~ 1.13‰）；下部枕状熔岩和上部枕状熔岩的δ⁴¹K值分别为−0.26 ~ −0.07‰和−0.71 ~ 0.34‰。

图1 Troodos蛇绿岩洋壳序列样品的K同位素组成

除4个样品外，大多样品的K₂O和烧失量与经历过低温蚀变的样品存在显著差异，且其K同位素组成明显重于后者（图2a、图2b）。这表明低温蚀变对K同位素的影响可以忽略不计。这些样品的K同位素组成明显重于俯冲沉积物和蚀变洋壳（−1.64 ~ −0.05‰），排除了地壳物质直接加入的可能性。其K同位素组成与MgO含量和K/Ti比值之间不存在相关性（图2c、图2d），排除了分离结晶对样品K同位素组成的影响。同时，相对于前弧和后弧岩浆岩，这些样品具有更高的K/Th、K/U 和 Sr/Th 比值（图3a-c），结合二元混合模型计算结果（图3d），揭示了Troodos蛇绿岩洋壳序列异常重的K同位素组成来源于初始俯冲过程中板片脱水流体加入其岩浆源区。

图2 Troodos 蛇绿岩洋壳序列样品δ⁴¹K值与 (a) K₂O、(b) LOI、(c) K/Ti 和 (d) MgO的相关性图解

图3 Troodos 蛇绿岩洋壳序列样品δ⁴¹K值与 (a) K/Th、(b) K/U、(c) Sr/Th 和 (d)Ba/Th 的相关性图解

Troodos蛇绿岩中的重K同位素特征反映了新形成的俯冲系统中，板块在浅部脱水过程中K同位素的分馏，此时重K同位素优先进入含水流体。随着俯冲深度的增加，含K矿物相开始分解，逐渐形成K同位素相对较轻的含水熔体，这解释了岛弧地区相对较轻的K同位素特征（图4）。初始俯冲过程含水熔/流体成分的演化导致了横向剖面上从蛇绿岩到前弧、后弧逐渐变轻的K同位素特征。因此，俯冲带作用如同地球化学过滤器，通过产生脱水熔/流体和同位素被改造的板片，前者向上迁移，改变上覆岩石成分，后者则进入深部地幔，影响地幔的长期地球化学演化。

图4 (a) 伊豆后弧和马提尼克弧岩浆岩、(b)伊豆前弧岩浆岩和 (c) Troodos蛇绿岩洋壳序列样品的K同位素直方图和概率密度分布以及 (d) 俯冲过程 K 同位素系统模型图

研究成果发表于国际学术期刊GCA（潘旗旗，肖燕，苏本勋，Paul T. Robinson，李文君，王静，刘霞. Tracing material transport during subduction inception: Insights from potassium isotopes in the crustal sequence of the Troodos ophiolite [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2024, 373: 259-270. DOI:10.1016/j.gca.2024.04.005.）。研究受到国家自然科学基金（42350001）和第二次青藏高原科学考察与研究计划项目（STEP）（2019QZKK0801）资助。