铷同位素证据表明，小安的列斯群岛弧地区马提尼克岛火山的岩浆来源于地幔中的沉积物成分

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Rubidium isotopic evidence for sedimentary input to the mantle source of Martinique lavas from the Lesser Antilles arc

本研究分析马提尼克岛弧岩浆及DSDP 144、543站位沉积物的铷同位素组成，发现岩浆δ87Rb值轻于地幔，且与Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成强相关，表明俯冲带中沉积物部分熔融贡献了地幔楔的轻同位素组分，证实铷同位素可有效示踪地壳物质循环。

　　

王宝良|弗雷德里克·莫尼耶|凯瑟琳·肖维尔

巴黎城市大学，巴黎地球物理研究所，法国国家科学研究中心（CNRS），朱西厄街1号，75005巴黎，法国

摘要

通过俯冲作用对地壳物质的再循环被认为是地幔化学异质性的关键驱动力。铷（Rb）是一种与流体具有高度不相容性的元素，且具有显著的流动性。地壳中铷的富集程度相对于地幔较高，再加上地壳物质之间固有的同位素变异，使得铷同位素成为追踪地壳再循环的有希望的示踪剂。然而，目前对俯冲相关过程中铷同位素行为的理解有限，这阻碍了其有效应用。在这里，我们展示了来自小安的列斯群岛弧线的一组马提尼克火山的铷同位素组成，以及位于小安的列斯海沟前方的DSDP站点144和543的沉积物。这两个站点的沉积物显示出与大陆地壳或地幔相似的铷同位素组成。相比之下，所研究的弧线火山的δ⁸⁷Rb值从类似地幔的?0.08?±?0.03‰变化到更低的值（低至?0.49?±?0.05‰）。它们的δ⁸⁷Rb值与放射性同位素组成（例如⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb和¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf）之间存在强烈的相关性。铷同位素的变化无法用喷发后的变化、地幔部分熔融、岩浆分异或岩浆上升过程中的地壳吸收来解释。相反，这些变化反映了俯冲带下方地幔与轻同位素沉积物熔体之间的二元混合。由于俯冲沉积物的铷同位素特征在冷俯冲带中基本上不受前缘变质作用的影响，因此它们类似地幔的喷发前δ⁸⁷Rb值表明，在沉积物部分熔融过程中可能发生了铷同位素的分馏，轻同位素的铷优先随熔体迁移。总体而言，这项研究为轻同位素沉积物熔体加入地幔楔提供了有力证据，证明铷同位素可以作为追踪俯冲带下方地幔中地壳再循环的示踪剂。

引言

俯冲带是地壳与地幔相互作用的关键区域，在这里，老地壳通过下降的板块被再循环到地幔中，同时新的地壳通过弧状岩浆作用形成。在这些条件下，地壳物质的再循环被广泛认为是导致地幔地球化学异质性的基本机制（例如，Hofmann, 1997; Hofmann和White, 1982; Zindler和Hart, 1986; Workman等人, 2004; Stracke, 2012; Zheng, 2019）。俯冲板块的熔融和脱水将物质引入上覆的地幔楔中，改变了其化学和同位素组成。下降的残留板块也在更深的地幔中产生了局部异质性。长期以来，微量元素模式和放射性同位素组成（包括Sr、Nd、Pb、Hf和Os）被用来检测地壳物质在弧状环境和更深地幔中的参与（例如，White和Hofmann, 1982; Hauri和Hart, 1993; Hauri和Hart, 1997; Hofmann, 1997; Eisele等人, 2002; Jackson等人, 2007; Spandler和Pirard, 2013）。最近，越来越多的稳定同位素系统被用作地壳再循环的示踪剂（例如，O, Eiler等人, 1998; Cl, Barnes等人, 2008; Ca, Eriksen等人, 2024; Mg, Teng等人, 2016; Fe, Soderman等人, 2021; Cu, Yao等人, 2025; Zn, Zhang等人, 2022; Si, Pringle等人, 2016; Ba, Wu等人, 2020, Bai等人, 2022; Ti, Deng等人, 2023; K, Hu等人, 2021, Wang和Ionov, 2023），为地幔演化提供了额外的见解。

铷同位素具有追踪地壳物质再循环的潜力，因为地壳中的铷含量相对于地幔显著较高。例如，原始地幔和上大陆地壳（UCC）中的铷丰度分别为0.6?μg/g和84?μg/g（McDonough和Sun., 1995; Rudnick和Gao, 2003）。此外，地壳物质显示出广泛的铷同位素组成（δ⁸⁷Rb，表示为⁸⁷Rb/⁸⁵Rb比值相对于SRM 984标准的千分偏差），范围从?0.45‰到+?1.20‰（Hu等人, 2021a; Hu等人, 2022, Zhang等人, 2023, Zhang等人, 2024），而地幔的同位素特征相对均匀（δ⁸⁷Rb = ?0.12?±?0.09‰，2SD；Wang等人, 2023; 2025）（图1）。然而，将铷同位素作为地壳再循环的示踪剂的应用严重依赖于对其在俯冲带中分馏过程的理解，这一过程尚未完全明了。因此，研究俯冲相关过程中的铷同位素行为至关重要。

俯冲板块的变质脱水或部分熔融会向上覆的地幔楔释放水溶液或硅质熔体，触发弧状岩浆的形成（例如，Spandler和Pirard, 2013, Zheng, 2019）。因此，弧状火山岩可以提供关于俯冲过程中发生的事件的宝贵见解。最近对马里亚纳弧火山岩的研究表明，它们的铷同位素组成从类似地幔的值变化到更重的特征（?0.12‰到+?0.09‰；Jiang等人, 2024）（图1）。较高的δ⁸⁷Rb值归因于改变的洋壳（AOC）衍生的流体加入到俯冲带下方地幔中（Jiang等人, 2024）。值得注意的是，马里亚纳弧前缘火山的铷同位素组成系统性地比前弧火山的要轻。这种模式被解释为沉积物熔体（0.2% ～ 4.0%）对地幔来源的贡献增加，而地幔来源主要由流体添加（99.8% ～ 96%）组成，推测沉积物熔体富含轻铷同位素（Jiang等人, 2024）。然而，目前还没有直接证据表明俯冲沉积物的部分熔融会导致铷同位素的分馏。此外，尚未观察到由于吸收轻同位素沉积物熔体而具有比地幔更轻的铷同位素组成的弧状火山岩。这突显了进一步研究俯冲带中铷同位素行为的必要性，特别是关于沉积物熔化的过程。

与马里亚纳弧不同，在那里板块衍生的流体占主导地位（例如，Ikeda等人, 2016），小安的列斯弧显示出来自俯冲沉积物的显著输入（例如，Labanieh等人, 2010, 2012），因此为研究沉积物衍生的铷提供了理想的案例。小安的列斯弧是由大西洋洋壳（美洲板块的一部分）俯冲到加勒比板块下方形成的，以其火山岩的显著化学和同位素多样性而闻名，由于地壳贡献的比例较高，代表了全球海洋弧中的富集端元（例如，Jordan, 1975, Minster和Jordan, 1978, Davidson, 1987, Carpentier等人, 2008）。位于小安的列斯弧中央的马提尼克保留了最完整的喷发阶段记录（Labanieh等人, 2010, 2012）。包括微量元素比率和放射性同位素数据在内的地球化学证据表明，马提尼克火山岩中同时存在沉积物熔体和板块衍生流体的特征（例如，Labanieh等人, 2010, 2012），这一发现得到了后续对Li、Ce、Mg、Mo和K同位素系统研究的支持（Tang等人, 2014, Bellot等人, 2015, Teng等人, 2016, Gaschnig等人, 2017; Hu等人, 2021b）。因此，马提尼克火山岩是研究俯冲带中铷同位素行为的理想样本。

在这里，我们分析了来自小安的列斯群岛弧的一组马提尼克火山岩的铷同位素组成，以及来自海沟前方的DSDP站点144和543的九种海底沉积物，这些沉积物代表了潜在的俯冲带沉积物输入。虽然俯冲沉积物显示出类似地幔的铷同位素特征，但在火山岩中观察到了δ⁸⁷Rb值的系统变化，这些变化与地壳输入有关。我们评估了地壳衍生的铷是如何以及在哪里被纳入马提尼克火山岩中的，我们的结果证明了轻同位素沉积物熔体对弧状火山岩的贡献。

章节摘录

地质背景和样品

小安的列斯群岛是一个海洋岛弧系统，由大西洋洋壳向西俯冲到加勒比板块下方形成，俯冲速率为每年约2厘米（例如，Jordan, 1975, Minster和Jordan, 1978）。弧状岩浆作用始于晚渐新世（约25百万年前；例如，Germa等人, 2011），并一直持续到现在。根据其喷发历史，该弧可以划分为三个主要阶段：老弧（24.8–20.8百万年前）、中间弧（16.1–7.1百万年前）和

分析方法

样品的溶解和化学纯化在巴黎地球物理研究所（IPGP）进行。大约20毫克的整岩火山岩和沉积物粉末被称量到螺旋盖特氟龙烧杯中，并在140℃下用浓HF和HNO₃（3:1, v/v）混合物中溶解72小时。然后样品用浓HCl-HNO₃（3:1, v/v）处理，接着用6 mol L^?1 HCl处理，以去除氟化物复合物。完全溶解后，样品最终重新溶解在

结果

马提尼克火山岩和DSDP站点144及543的沉积物的铷同位素组成见表1。这些样品的主要和微量元素组成以及放射性同位素比值之前已有报道（Carpentier等人, 2008, Carpentier等人, 2009, Labanieh等人, 2010, 2012），并汇总在补充材料中。

所研究的弧状火山岩的铷同位素组成从类似地幔的?0.08?±?0.03‰变化到更轻的特征

讨论

马提尼克火山岩中可分辨的铷同位素组成变化可能源于多种过程，包括喷发后的变化、地幔部分熔融、岩浆分异、地壳吸收以及来自板块来源的成分的贡献。下面详细讨论了这些过程，并讨论了它们对地壳铷再循环的影响。

结论

本研究分析了来自小安的列斯群岛弧的一组马提尼克火山岩的铷同位素组成，以及可能代表俯冲带沉积物输入的DSDP站点144和543的沉积物。马提尼克火山岩的δ⁸⁷Rb值从?0.08‰变化到?0.49‰。除了δ⁸⁷Rb值非常低的样品外，其余火山岩的铷同位素组成与Sr-Nd-Pb-Hf同位素比值之间存在强相关性，反映了它们的二元混合

未引用的参考文献

Brigatti等人, 1998; Brigatti和Guggenheim, 2002; Castillo, 2006; Clemens, 2003; Defant和Drummond, 1990; Germa等人, 2011; Hu等人, 2021; Kang, 2025; Rudnick等人, 2003; Salters和Stracke, 2004; Schauble, 2004; Schmidt和Poli, 2014; Syracuse等人, 2010; Turner和Langmuir, 2022; Urey, 1947.

CRediT作者贡献声明

王宝良：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，方法学，调查，数据分析，数据管理。弗雷德里克·莫尼耶：写作——审稿与编辑，监督，资源获取，项目管理，资金筹集。凯瑟琳·肖维尔：写作——审稿与编辑，资源管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢两位匿名审稿人和Zack Eriksen博士的建设性评论，这些评论极大地提高了本文的质量。我们感谢Hailiang Dong教授和Shichun Huang教授的编辑工作。我们还要感谢Tu-Han Luu和Dimitri Rigoussen在质谱仪维护方面的帮助。我们也感谢与Yan Hu（内华达大学拉斯维加斯分校）、Dingsheng Jiang（中国科学技术大学）、Emanuela Gennaro、Zhengyu Long和Yiheng Li（巴黎地球物理研究所）的建设性讨论。