俯冲带硫的地球化学行为及硫循环SCIEI北大核心CSCD

俯冲带是全球最大的物质循环系统,控制着硫(S)在地球内部圈层及表层的循环,影响着大气圈、水圈、生物圈、岩石圈的稳定性以及地球的宜居性。厘清S在俯冲带中的地球化学行为和循环特征对理解地球各储库的氧化还原状态、岩浆作用与演化、成矿物质聚集、以及地球大气成分等具有重要意义。本文首先总结了进入俯冲带之前的大洋岩石圈的S结构模型,对S在大洋板片中的分布状态和地球化学特征进行了系统归纳。随后,系统阐述了俯冲带高压-超高压变质岩记录的板片变质及脱水过程中硫的地球化学行为。岩石学研究表明俯冲板片中的S多以硫化物相存在,硫酸盐矿物在弧前深度就已被释放或分解。相较于熔体,俯冲带流体中S的溶解度更高,是运移硫的更有效方式。DEW模型计算结果显示,流体中S含量总体较低,但在俯冲板片~90km处其含量有一个峰值(浓度0.5%~1.0%)。岩相学证据、地球化学测试结果、磷灰石S近边吸收结构(S-XANES)特征以及模拟结果都显示俯冲深部流体中S多以HS^(-)及H_(2)S形式存在,不含大量的SO_(4)^(2-)及硫酸盐;中f_(S_(2))流体有利于S迁移出俯冲板片,从而促进俯冲带大规模S循环,而高f_(S_(2))流体在流-岩交换过程沿流体通道发生S的锁固作用而不利于俯冲带S循环。质量平衡计算显示全球俯冲带S输入通量为4.65×10^(13)g/yr,弧下深度板片S输出通量为2.91×10^(12)g/yr,板片-岛弧S循环效率仅6.3%。俯冲板片在弧下深度可能存在一个短暂高效的S释放窗口,释放流体的δ^(34)S值为-2.1±3.0‰。基于高压-超高压变质岩中硫化物的研究,初步厘清了俯冲板片中S的地球化学行为,首次从板片角度全面、定量地限定了俯冲带的脱硫通量、效率、种型和同位素特征,提出俯冲带循环的S不是岛弧岩浆的氧化剂,与岛弧环境的正δ^(34)S值也无直接因果联系,对解析俯冲带S循环和理解地球长期的S循环具有重要意义。最后,本文还展望了俯冲带S循环的未来发展方向,应在俯冲带流体氧化还原性质(硫酸盐的命运)、俯冲沉积物对S循环的制约、俯冲带环境下多硫同位素的分馏效应、S循环与其它挥发分(如C等)循环之间的耦合关系、地球历史上深部S循环等方向做出探索,更深入地理解俯冲带及全球S循环过程。     

俯冲带流体——来自（超）高压变质岩石的证据

俯冲带是地球上岩浆活动、高压—超高压变质作用、中深源地震、壳幔物质交换、元素循环和铜金大规模成矿的集中发生场所。富水流体不仅调控了这些地质作用,而且也深刻影响了全球C、S等挥发分的循环。当蚀变大洋岩石圈及上覆沉积物进入俯冲带中深部（15~300 km）,伴随由葡萄石- 绿纤石相至超高压榴辉岩相的递进变质作用,含水矿物在不同深度的分解造成流体释放为一连续过程。除极端高地温梯度环境之外,大多数俯冲带洋壳释放的流体为富水流体。但,俯冲带不同深度所产生的流体特征有明显差异。出露于全球造山带的高压—超高压变质地体保存了分凝体、脉体、水压致裂角砾岩等流体作用的有力证据,绿辉石、石榴子石、绿帘石等矿物中原生流体包裹体为流体的直接记录。在俯冲带中等深度（＜65 km）,流体是溶质含量很低的含卤化物水溶液,可含CO2-3、SO2-4、HS-等组分,其所含Si、Al、Ca、Mg、Fe、Na主量元素溶质相当于海水中固化物量的2~3倍,并具大离子亲石元素（LILE）、轻元素（B、Li）富集和高场强元素（HFSE）亏损的特点。当深度≥65 km时,流体转化为类似于超临界性质的溶液,含CH4、C2H6、H2S等挥发分,其所含主量元素溶质显著增加,微量元素除LILE等外,还负载相当量的HFSE和过渡族成矿元素。俯冲带65~100 km深度,为富水流体向超临界流体转变的区间。这种流体具有“亚超临界”性质,发生了氧化还原性质和元素溶解能力的渐变,并伴随硬柱石和角闪石的最终耗尽。高压变质岩石及相关脉体的O、Sr、Nd和金属同位素示踪研究表明俯冲带流体的源区多样,有蚀变基性洋壳、地幔橄榄岩和沉积物,并保存了海底热液蚀变作用的印迹。流体以脉冲方式沿网络状裂隙呈隧道式运移和传输,规模可达千米级,时间尺度在数月至数百年。目前通过高压—超高压变质岩的研究对俯冲带流体已经有了深入的了解,但展望未来,该领域依然有诸多争议和科学问题值得探索。