傳統(tǒng)觀點(diǎn)普遍認(rèn)為固體地球過程，如俯沖作用和地幔柱等，對(duì)于地球表生環(huán)境具有重要影響，特別是在控制全球溫度以及相關(guān)生物響應(yīng)等方面具有重要作用。然而，對(duì)于地球表生環(huán)境對(duì)地球深部作用的影響，相關(guān)研究卻相對(duì)較少。俯沖過程可以將地表物質(zhì)帶入地球內(nèi)部，因此島弧巖漿是研究地球表生環(huán)境對(duì)于地球深部影響的良好對(duì)象。

    鑒于太陽輻射與地球軌道關(guān)系，地球的表生環(huán)境具有明顯的緯度效應(yīng)，并會(huì)顯著影響海洋生物的分布規(guī)律等。生物作為主要的有機(jī)碳，對(duì)于地球內(nèi)部物質(zhì)來說是重要的還原劑。因此當(dāng)這些生物隨板塊作用進(jìn)入地球內(nèi)部時(shí)，則可能會(huì)改變島弧地幔的氧化還原狀態(tài)。而由于生物的分布具有緯度效應(yīng)，因此島弧地幔的氧化還原狀態(tài)則也可能具有緯度效應(yīng)，從而控制島弧原始巖漿的氧逸度分布特征。雖然研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，島弧原始巖漿的氧逸度具有較大的變化特征，但是對(duì)于導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因，前人一般認(rèn)為其可能與俯沖帶的熱結(jié)構(gòu)或俯沖物質(zhì)的氧逸度有關(guān)。

    為探討島弧原始巖漿氧逸度與地表環(huán)境之間的關(guān)系，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡方泱特聘副研究員、姜禾禾特聘副研究員、萬博研究員、吳福元院士與亞利桑那大學(xué)Mihai N. Ducea教授、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）高磊副教授等合作，通過統(tǒng)計(jì)環(huán)太平洋島弧帶內(nèi)橄欖石熔體包裹體與玄武巖全巖微量元素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)島弧原始巖漿的氧逸度與緯度之間的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

    根據(jù)統(tǒng)計(jì)的全球島弧帶內(nèi)橄欖石熔體包裹體數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)這些熔體包裹體的氧逸度具有一定隨緯度變化而變化的規(guī)律，具體表現(xiàn)為低緯度島弧地區(qū)的氧逸度相對(duì)較低（圖1a）。但是，由于這些熔體包裹體數(shù)據(jù)有限，且對(duì)于其能否真實(shí)反映原始巖漿的氧逸度目前仍有一定爭議，因此在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了島弧玄武巖的全巖微量元素?cái)?shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，島弧玄武巖的V/Sc比值與緯度具有良好的相關(guān)性（圖1b），即在低緯度地區(qū)較低，而在高緯度地區(qū)較高。根據(jù)地球化學(xué)的模型計(jì)算表明(圖2a)，在一定條件下，V/Sc比值可以與巖漿氧逸度直接對(duì)應(yīng)，因此島弧玄武巖的V/Sc比值表明低緯度島弧地區(qū)的氧逸度相對(duì)較低。除V/Sc比值之外，島弧玄武巖的Cu/Zr比值也在一定程度上反映了這一規(guī)律(圖2b)。因此，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，島弧玄武巖的氧逸度具有緯度控制的特征，這表明島弧地幔的氧逸度具有緯度效應(yīng)。

圖1 島弧橄欖石熔體包裹體氧逸度（a）、島弧玄武巖V/Sc比值（b）與緯度的關(guān)系

圖2 島弧玄武巖V/Sc比值（a）、Cu/Zr比值（b）與氧逸度的關(guān)系

由于俯沖帶熱結(jié)構(gòu)與緯度之間沒有明顯相關(guān)性，因此對(duì)于導(dǎo)致上述現(xiàn)象的原因，最可能的解釋便是低緯度地區(qū)有更多相對(duì)還原的物質(zhì)進(jìn)入俯沖帶。通過統(tǒng)計(jì)太平洋內(nèi)顆粒有機(jī)碳（POC）隨緯度的分布規(guī)律，結(jié)果顯示低緯度地區(qū)有更多的POC會(huì)沉淀到大洋地殼上（圖3a）。然而，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)表明，俯沖沉積物中的有機(jī)碳并沒有明顯的隨緯度而變化的特征（圖3b）。這樣的不一致現(xiàn)象可以通過大洋地殼內(nèi)發(fā)生的碳硫相互作用進(jìn)行解釋，即有機(jī)碳與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，形成硫化物。根據(jù)地幔的初始氧化還原狀態(tài)（S2-），硫化物（S-）的加入同樣可以導(dǎo)致島弧地幔的氧化，但是其氧化能力顯然要弱于硫酸鹽。因此，相比于高緯度地區(qū)，低緯度地區(qū)俯沖帶可能有更多的硫化物加入，這也得到了橄欖石熔體包裹體中硫同位素?cái)?shù)據(jù)的支持（圖3c）。因此，上述過程反映了由于太陽輻射導(dǎo)致的隨緯度變化的地表環(huán)境對(duì)地幔氧逸度的影響（圖4）。

圖3 顆粒有機(jī)碳（POC）（a）、俯沖沉積物碳含量（b）以及島弧橄欖石熔體包裹體硫同位素組成（c）隨緯度的變化

圖4 緯度控制的島弧巖漿氧逸度成因模型。SST：海面溫度；NPP：凈初級(jí)生產(chǎn)力；POC：顆粒有機(jī)碳

    該研究通過全球數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立了島弧巖漿氧逸度與緯度的關(guān)系，反映了地表環(huán)境對(duì)地球內(nèi)部物質(zhì)組成的重要影響，對(duì)于研究地質(zhì)歷史時(shí)期的環(huán)境演化以及相關(guān)資源富集具有重要意義。同時(shí)，本研究也指出目前的數(shù)據(jù)仍然相對(duì)有限，需要進(jìn)一步工作對(duì)上述現(xiàn)象與過程進(jìn)行進(jìn)一步探究與驗(yàn)證。

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