俯冲作用是控制地幔氧化还原状态、弧区岩浆形成及地球氧化演化的关键过程，但俯冲板片是否、以及如何向弧下以及弧后地幔输送氧化性物质，长期以来在国际学术界存在激烈争论。近日，中国海洋大学李三忠教授联合苏黎世联邦理工学院段文勇博士后、James Connolly教授、Taras Gerya教授, 卡内基研究所Peter van Keken研究员，山东科技大学李旭平教授，波鸿鲁尔大学Hans-Peter Schertl研究员、Arne Willner教授等国内外学者，通过开发并应用二维地球动力学-热力学氧化还原数值模型，系统揭示了马里亚纳型俯冲带中地幔氧化受控于板片内部氧化还原动力学的机制框架，并给出了严格的定量化约束结果。相关成果以 “Mantle oxidation influenced by reduction-oxidation budget of Mariana-type subduction zones”（地幔氧化受马里亚纳型俯冲带中的氧化还原收支调控）为题发表于国际顶级期刊Nature Geoscience（《自然·地球科学》），为理解现代板块构造背景下俯冲相关的地幔氧化及地球地幔长期氧化提供了关键的定量约束和理论参考。

苏黎世联邦理工学院段文勇博士后为论文第一作者，中国海洋大学李三忠教授为通讯作者。该成果由中国海洋大学、苏黎世联邦理工学院、崂山实验室等6家单位共同完成。此外，李三忠教授与段文勇博士后还受《自然・地球科学》编辑团队邀请为相关研究成果撰写题为“Modelling reveals redox budget transfer in Mariana-type subduction systems”（模型揭示马里亚纳俯冲系统的氧化还原收支传递）的研究简报（Research Briefing）。

先前观点与争论缘由

1.弧下及弧后岩浆的氧化性来源之争

大量研究表明，弧下和弧后岩浆体系普遍表现出高于洋中脊玄武岩（MORB）的氧化状态，但其成因机制仍存在显著分歧。一种观点认为，俯冲板片在脱水及部分熔融过程中释放的氧化性流体或熔体，是导致弧下地幔及其岩浆体系氧化的主要来源；另一种观点则认为，弧区岩浆的高氧化状态主要受控于岩浆分异与演化过程，俯冲板片的直接贡献相对有限。因此，亟需对俯冲板片不同单元在不同深度贡献的氧化还原收支（redox budget）进行定量化估算。

2.模拟方法的局限性

以往相关研究多依赖零维或一维热力学模型，这类方法难以有效刻画俯冲板片在二维空间尺度上连续变化的温压结构，也无法在开放体系下，定量反映不同岩性之间复杂的流体—熔体迁移、相互作用及其对氧化还原状态的综合影响。换言之，目前仍缺乏能够在二维空间框架下，对俯冲板片—地幔系统中氧化还原过程进行定量约束的数值模拟手段。

创新性研究设计

针对上述问题，研究团队选取现代板块构造体系的典型代表——马里亚纳型俯冲带，开展了系统的数值模拟研究。研究首次开发了二维地球动力学-热力学氧化还原数值模型，在开放体系条件下引入“渠流式流体抽吸模型”和“反应传输模型”两种端元情景，定量刻画沉积物、蚀变洋壳、玄武质上洋壳、辉长质下洋壳及板片底部的弱蛇纹石化地幔在俯冲过程中的脱水、脱硫、脱碳及熔融过程及其氧化还原机制。研究首次在二维尺度上系统评估了不同岩性单元在不同深度对地幔氧化的贡献及其传输效率。

主要研究发现

1.俯冲板片脱硫控制弧下地幔氧化

图1 马里亚纳弧下深度俯冲板片的热力学结构及 C–O–S–H 流体释放剖面

研究发现，在弧下深度范围内，板片底部的弱蛇纹石化地幔和板片顶部蚀变洋壳中硫化物与三价铁发生氧化还原反应，释放富含硫酸盐的高度氧化流体，是弧下地幔氧化的主控机制（图1）。

2.弧后地幔氧化以沉积物熔融为主导

图2 沉积物与蚀变洋壳在弧后深度条件下所产生熔体的氧化还原特性

在更深部的弧后阶段，板片沉积物发生部分熔融，形成富Fe³⁺的高度氧化熔体，对弧后地幔及弧后盆地岩浆的氧化起主导作用（图2）。

3. 模型结果与地球化学大数据吻合

图3 马里亚纳弧样品与弧后样品的氧化还原与熔流体示踪指标

研究系统整合了马里亚纳弧及弧后区域近2000组岩浆地球化学数据，涵盖铁、硫、硼等15种氧化还原与熔流体示踪指标。结果显示，弧区岩浆普遍具有硫相关的高氧化状态和强烈的流体输入特征，而弧后岩浆则与硫无关的中等或弱氧化，并缺乏流体信号但表现出熔体信号，与模型预测的“弧下流体脱硫主控、弧后熔体主控”的氧化机制高度一致，独立验证了模型的可靠性（图3）。

4.大部分氧化性物质被输送进入深地幔

图4 马里亚纳俯冲体系的氧化还原质量—电荷平衡计算

定量计算表明，仅约四分之一至三分之一的净氧化还原通量在弧相关阶段释放，其余~70%随俯冲板片进入深地幔，可能对地幔长期氧化演化具有重要影响（图4）。

科学意义

将氧化还原过程的计算方法，从先前零维与一维热力学模型，拓展至二维动力学-热力学数值模型，从而推动相关研究实现从定性分析到定量解析的关键性跨越。研究表明，自现代板块构造建立以来，马里亚纳型俯冲板片的熔流体过程是驱动地幔楔氧化的重要机制之一。该过程不仅有助于解释初始弧和弧后岩浆普遍偏高的氧化状态，也可能为地质历史中多次重要氧化事件及地球表层氧气演化提供了深部动力学解释框架与定量估算手段。

未来展望

1.地幔楔氧化机制的全球适用性与俯冲氧化还原收支

马里亚纳型俯冲带中识别的地幔楔氧化机制是否具有全球普适性仍有待检验。不同类型俯冲带可能对地幔产生不同的氧化还原效应，亟需在全球尺度上定量约束俯冲作用的氧化还原收支。

2.俯冲作用在地质历史时期驱动地幔氧化的能力

俯冲过程是否能够在地质历史尺度上持续推动地幔氧化，是理解地球长期氧化还原演化的关键问题，需结合不同地质时期俯冲强度与板片—流体特征加以定量评估。

3.弧岩浆体系中控制大陆地壳氧化的主导过程

俯冲板片释放的熔流体作用与弧岩浆后期结晶分异，均可能影响长英质大陆地壳的氧化状态，但二者的相对贡献仍需详细定量计算。