氧，作為生命生存的關(guān)鍵物質(zhì)，是維持地球宜居環(huán)境的必要條件。大洋板塊的俯沖攜帶了大量硫、鐵、碳等氧化還原敏感的變價(jià)元素進(jìn)入地球內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)著地球表面與地球深部之間的氧循環(huán)，控制了地球歷史時(shí)期大氣中的氧氣含量，對于宜居地球的形成和維持至關(guān)重要。目前研究普遍認(rèn)為弧火山巖比洋中脊玄武巖更為氧化，然而其氧化的成因是“幔源”（俯沖板片對地幔楔的物質(zhì)貢獻(xiàn)）還是“殼源”（地殼演化過程的影響）存在極大爭議，也是國際前沿的學(xué)術(shù)問題。而目前研究中的難點(diǎn)是，幾乎沒有能代表原生弧巖漿組成的火山巖，難以從根本上限定弧火山巖氧化的成因。
原生弧巖漿的氧化還原狀態(tài)決定了巖漿中變價(jià)元素S的含量，從而控制了巖漿中親硫元素Cu的系統(tǒng)變化?；诖耍袊茖W(xué)院廣州地球化學(xué)研究所博士研究生趙思宇、楊陽副研究員、趙太平研究員等人對全球十萬多件弧火山巖樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)匯總和梳理，發(fā)現(xiàn)不同俯沖帶弧火山巖中的Cu/Zr比在巖漿演化初期均保持恒定（圖1a），首次提出MgO>6%的弧火山巖的Cu/Zr比保存了其原生巖漿的信息，記錄了地幔部分熔融過程中地幔硫含量和氧化還原狀態(tài)的系統(tǒng)變化。因此，本研究重新限定了弧下地幔的硫含量，創(chuàng)新性地運(yùn)用弧火山巖的Cu/Zr比識(shí)別出全球弧巖漿中變價(jià)元素硫和親硫元素的地球化學(xué)行為，明確了弧下地幔比洋中脊地幔更氧化（氧逸度最高可達(dá)FMQ+1.3，圖1b,c）），證實(shí)了弧巖漿氧化的成因來自于“幔源”。
圖1. a)弧火山巖中Cu/Zr比與MgO協(xié)變圖，b,c)定量模擬地幔熔融過程中原生洋中脊玄武巖和原生弧巖漿Cu/Zr的系統(tǒng)變化，指示弧下地幔比洋中脊下方地幔更氧化。
弧巖漿中的Cu不僅記錄了原生弧巖漿氧化還原狀態(tài)的信息，也是斑巖銅礦成礦的關(guān)鍵。斑巖銅礦占據(jù)了全球75% Cu的勘探總量，主要產(chǎn)出于俯沖帶。超大型斑巖銅礦主要分布在地殼厚度較厚的弧，前人提出厚弧火山巖中低Cu含量是巖漿在深部地殼中硫化物大量堆晶的結(jié)果，以此提出早期大量硫化物堆晶是厚弧富集大型斑巖銅礦的關(guān)鍵。然而本研究揭示了厚弧的原生巖漿具有較低Cu含量，是地殼厚度控制下地幔低程度部分熔融的結(jié)果，并不需要早期大量硫化物堆晶過程來降低巖漿中的Cu含量，這對斑巖銅礦中Cu的超常富集機(jī)制提出了挑戰(zhàn)。
本研究為近十年來關(guān)于弧巖漿氧化成因的爭論提供了新的限定，為地表與地球深部的氧循環(huán)過程提供了重要的證據(jù)，也為揭示斑巖銅礦的成因研究提供了理論支持。研究成果3月23日發(fā)表于國際重要學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）。
該研究受國家自然科學(xué)基金，南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州）人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)，中科院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃（B類），和中科院青促會(huì)的聯(lián)合資助。
論文信息： S.-Y. Zhao, A. Y. Yang*, C. H. Langmuir, T.-P. Zhao, Oxidized primary arc magmas: Constraints from Cu/Zr systematics in global arc volcanics. Sci. Adv. 8, eabk0718 (2022).
