南桑威奇群岛弧下混杂岩脱水熔融的钡同位素证据：揭示俯冲带物质传输新机制

本研究针对俯冲带物质传输机制争议，通过分析南桑威奇群岛（SSI）弧熔岩的钡同位素（δ138/134Ba）与锶同位素（87Sr/86Sr）耦合变化，首次揭示混杂岩（mélange）脱水熔融是主导该弧岩浆生成的关键过程。研究发现弧熔岩钡同位素显著轻于地幔值（δ138/134Ba=-0.18至+0.08‰），且与锶同位素解耦，排除了传统地幔楔交代模型，证实俯冲沉积物是钡的主要来源。该成果为理解全球俯冲带元素循环提供了新的地球化学约束，发表于《Nature Communications》。

　　

地球俯冲带是连接地表与深部圈层的关键通道，其物质传输机制长期存在两大理论争议：是地幔楔被俯冲板片释放的流体/熔体分步交代（metasomatized mantle wedge model），还是板片-地幔界面混杂岩（mélange）直接脱水熔融？这一争议直接影响对弧岩浆成因和地球深部元素循环的理解。南桑威奇群岛弧（SSI arc）因其俯冲沉积物具有全球最轻的钡同位素特征（δ^138/134Ba≈-0.1‰），而蚀变洋壳（AOC）呈现重同位素特征（+0.20±0.10‰），成为破解这一难题的理想研究对象。

由中国科学院海洋研究所、伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）等机构组成的国际团队，对SSI弧63件熔岩及9件俯冲沉积物开展了高精度钡同位素（δ^138/134Ba）、锶-钕-铅同位素及微量元素分析。研究采用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定同位素组成，通过双稀释剂法校正质量分馏，并结合离子交换色谱分离技术确保数据精度。

结果部分
Barium isotope signatures in the SSI arc lavas
SSI弧熔岩δ^138/134Ba值（-0.18至+0.08‰）显著轻于亏损地幔（DMM，+0.03至+0.12‰），且北部弧段（如Candlemas岛）变异范围更大。这种轻钡特征与沉积物输入一致，但部分样品δ^138/134Ba甚至轻于原始沉积物，暗示传输过程中存在同位素分馏。

Contribution of sediments and AOC to SSI arc lavas
Sr-Nd-Pb同位素模拟显示，北部弧源区含1.8-3%沉积物和<15% AOC，南部则为1-2.5%沉积物和<8% AOC。钡同位素与锶同位素解耦（呈水平分布趋势），否定了地幔楔分步交代模型，支持混杂岩整体熔融/脱水机制。

Barium isotope fractionation during mélange dehydration
北部弧熔岩的钡同位素分馏与多硅白云母（phengite）分解相关：Candlemas等火山记录完全分解产生的轻钡信号（δ^138/134Ba低至-0.18‰，高Ba/Th、低U/Ba），而Zavodovski火山则反映部分分解残留（δ^138/134Ba≈-0.05‰，低Ba/Th）。

讨论与意义
该研究首次通过钡-锶同位素体系揭示混杂岩熔融是SSI弧岩浆主导机制，其意义在于：

1. 理论突破：提出水平同位素阵列（horizontal arrays）可作为识别混杂岩作用的地球化学标志，修正了传统垂向混合线（sub-vertical mixing lines）理论；
2. 过程解析：阐明俯冲沉积物通过混杂岩贡献了80%以上弧岩浆钡，且多硅白云母分解驱动同位素分馏；
3. 全球启示：对比汤加、阿留申等弧数据，发现混杂岩模型可普适性解释多数弧岩浆成因，为建立统一俯冲带物质循环框架奠定基础。

这项发表于《Nature Communications》的研究，不仅解决了长期存在的俯冲带物质传输机制争议，其创新的同位素示踪方法（如δ^138/134Ba-⁸⁷Sr/⁸⁶Sr耦合分析）为未来研究俯冲带元素循环提供了新范式。