亚历山大·G·索科尔（Alexander G. Sokol）|奥尔加·A·科兹梅恩科（Olga A. Kozmenko）|阿列克谢·N·克鲁克（Alexey N. Kruk）|谢尔盖·尤·斯库佐瓦托夫（Sergey Yu. Skuzovatov）
本文通过实验研究了富含挥发物的变质沉积物（含2.2 wt% H2O和0.9 wt% CO2）形成的含水熔体和超临界液体中微量元素的迁移性，探讨了板块沉积物对弧岩和弧后岩浆形成的潜在贡献。实验采用金刚石捕集技术，在3.0至7.8 GPa的压力和750至1090°C的温度下对石英-白云母-绿泥石片岩进行处理。通过溶液诱导耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析了金刚石捕集器中捕获的矿物组合（残留物）和溶质物质，以研究微量元素的分馏情况。残留物主要由石榴石、白云母、单斜辉石、蓝晶石以及少量的独居石、金红石和锆石组成。在3.0 GPa压力下，当温度达到750°C时，白云母片岩脱水会形成含水熔体；而在≥5.5 GPa和≥850°C的条件下，则会形成超临界液体（SCL）。在5.5 GPa和850°C下生成的超临界液体含有典型的SCL H2O含量，但其微量元素组成仍保持含水熔体的特征。含水熔体中的Ba、轻稀土元素（LREE）和钍（Th）的迁移性与铌（Nb）相当，但在超临界液体中这些元素的迁移性显著降低（≥5.5 GPa, ≥850°C）。假设来自片岩的超临界液体参与了橄榄岩楔中的弧岩和弧后岩浆的形成，这与弧岩玄武岩中观察到的H2O/LREE、LILE/H2O、Ba/La、Th/La和Nd/Sr比值一致。对于由全球俯冲沉积物（GLOSS）在5.5 GPa和850–1030°C条件下形成的超临界液体，其微量元素组成模型拟合效果最佳。在这种情况下，超临界液体可以向弧岩岩浆源输送大量的LILE、LREE、Th和U，同时使部分熔体中的Nb含量相对贫化。
俯冲板块上橄榄岩楔中生成的弧岩岩浆的微量元素组成受到源自板块的迁移相的影响，该迁移相的特点是Cs、Rb、K、Ba、Th、U和Sr的含量富集，而Nb和Ta相对于轻稀土元素（REE）则贫化（Elliott等人，1997；Johnson和Plank，1999；Hermann和Rubatto，2009；Plank，2014；Schmidt和Jagoutz，2017；Turner和Langmuir，2022）。板块的温度分布和俯冲深度以及脱水物质的化学性质决定了变质反应的发生位置，从而控制了迁移相的组成（Nichols等人，1994；Kessel等人，2005a，2005b；Hermann等人，2013；Schmidt和Poli，2014；Sokol等人，2023a；Ni等人，2025；Wang等人，2025）。迁移相可以是含水熔体、超临界水流体或超临界液体（图S1）。本研究中的“超临界流体（SCF）”和“超临界液体（SCL”分别指在第一临界点（液态+气态=超临界流体）和第二临界点（超临界流体+熔体=超临界液体）形成的迁移相。下文也将超临界流体称为“流体”或“水流体”。在之前的研究中，我们使用“超临界流体-熔体（SCFM）”这一术语，它与SCL等同。
大量证据表明，在大多数弧岩环境中存在沉积物熔化现象，而海洋地壳通常保持在固相线以下，导致脱水而不会熔化（Elliott等人，1997；Labanieh等人，2012；Li等人，2022；Turner和Langmuir，2022；Klaver等人，2024）。火山弧岩浆中钍（Th）的富集证实了板块沉积物的熔化。此外，弧岩岩浆中的钍含量与沉积物中俯冲的钍量相关（Plank和Langmuir，1998；Plank，2005；Plank，2014；Gale等人，2013）。据推测，只有含水熔体才能有效输送钍（Johnson和Plank，1999），因为它们的温度高于钍不溶于水流体的情况（Brenan等人，1995；Johnson和Plank，1999；Kessel等人，2005a，2005b；Spandler等人，2007；Rustioni等人，2019）。与原始岩浆相比，硅质板块熔体与金红石平衡后，其δ49/47Ti比值显著升高，而水流体无法携带这种高比值（Klaver等人，2024）。
然而，超临界液体对弧岩和弧后岩浆形成的潜在贡献仍不明确。这种类型的迁移相在3.5至5.0 GPa的压力下、超过固相线的第二临界点形成（Manning等人，2004；Kessel等人，2005a，2005b；Schmidt和Poli，2014；Manning和Frezzotti，2020；Sokol等人，2023a，Sokol等人，2023b；Wang等人，2025）。只有当橄榄岩楔覆盖倾斜度较大的板块（≥60°）时，超临界液体才被认为能向弧岩岩浆提供重要元素贡献（Schmidt和Jagoutz，2017）。根据热模型D80（Syracuse等人，2010）的预测，在尼加拉瓜、北马里亚纳群岛和北瓦努阿图的俯冲带，板块表面在约5.5 GPa的压力下可以达到850°C的温度。在这种情况下，超临界液体可能起源于130至200公里（4.0至6.0 GPa）的深度，并垂直向弧岩岩浆源迁移（Schmidt和Jagoutz，2017）。地质物理数据进一步证实了在弧后区域形成的板块来源迁移相能够重新循环到弧岩前端（Hicks等人，2023）。
构成弧岩和弧后岩浆地球化学特征的关键微量元素浓度受辅助相的影响（Hermann和Rubatto，2009；Li等人，2022）。关于LILE、LREE和HFSE在含水流体或含水熔体（包括源自板块沉积物的熔体）与含有白云母、独居石、金红石和锆石的残留物之间的分配，已有大量文献研究（Schmidt等人，2004a，2004b；Hermann和Spandler，2008；Klimm等人，2008；Hermann和Rubatto，2009；Skora和Blundy，2010，Skora和Blundy，2012；Skora等人，2015；Rustioni等人，2019，Rustioni等人，2021），但对于超临界液体的微量元素分馏情况了解甚少。具体而言，目前尚不清楚超临界液体在输送钍和其他俯冲带示踪元素方面的效率是否与含水熔体相当。另一个研究不足的问题是，在与独居石和磷灰石/ Allanite平衡的超临界液体中，Nb/Ta和Th/La的分馏情况。有证据表明，在存在辅助相独居石和磷灰石的情况下存在Th/La的分馏趋势（Plank，2005），这可能对弧岩岩浆和大陆地壳的分化产生影响。由于钍和镧在独居石中的分配系数相似，因此在板块沉积物向弧岩岩浆源的迁移过程中，这两种元素可能不会发生显著分离；预计俯冲沉积物中的Th/La比值会在平衡熔体中保持不变（Plank，2005）。许多弧岩岩浆中的Th/Nb比值甚至高于整体沉积物，这表明在板块表面附近沉积物熔化过程中存在残留的金红石（例如，Elliott，2003；Skora和Blundy，2010）。Nb和Ta的含量与源自沉积物的熔体中的LREE行为相似，在没有残留金红石的情况下，Nb含量不偏离La（Johnson和Plank，1999）。另一方面，从含有残留金红石的板块中释放的熔体中，Nb的含量略高于Ta（Schmidt等人，2004a），而榴辉岩残留物中2 wt%的金红石会导致平衡盐流体中的Nb和Ta含量减少，这种减少程度比大多数原始弧岩玄武岩更为明显（Rustioni等人，2019）。
我们之前的高压（5.5至7.8 GPa）实验（Sokol等人，2024）使用了富含挥发物的天然泥质片岩作为样品，其微量元素组成与全球俯冲沉积物（GLOSS）相似。随着压力从3.0 GPa增加到5.5 GPa，与超临界液体平衡的相变为金红石，而非独居石。当迁移相转变为超临界液体时，独居石的溶解度增加。超临界液体中LREE含量的显著增加伴随着Nb相对于La的减少，但维持这种减少的机制，尤其是HFSE、REE、Th和U在超临界液体和含有金红石及独居石的榴辉岩残留物之间的分配行为仍不清楚。
我们正在通过研究高压（3.0至7.8 GPa）和高温（750至1090°C）条件下，板块来源迁移相（含水熔体或超临界液体）与含有辅助相金红石和独居石的榴辉岩残留物之间的微量元素分配来填补这一空白。选择部分脱气的白云母片岩作为起始材料，有助于我们了解变质过程中脱气对LILE、HFSE和REE在迁移相/残留物之间分配的影响。这项研究延续了我们之前的实验工作（Sokol等人，2025），主要探讨了相同P-T参数下由同一白云母片岩形成的含水熔体或超临界液体迁移相对主要元素的输送作用。
材料
样品制备、实验技术和仪器的详细信息已在Sokol等人（2023a，2025）的先前出版物中报告。实验采用了金刚石捕集技术（Ryabchikov等人，1989；Johnson和Plank，1999；Kessel等人，2004，2005a，2005b；Hermann和Spandler，2008），起始材料为采自Shchuger河流源地区的晚元古代白云母片岩，其中含有石英、白云母和绿泥石。
相变关系
以石英-白云母-绿泥石片岩为起始材料的高压实验（Sokol等人，2025）产生了类似榴辉岩的残留物和迁移相（熔体或超临界液体）。残留物主要由石榴石、白云母、单斜辉石、蓝晶石以及少量的独居石、金红石和锆石组成。随着压力（3.0至7.8 GPa）和温度（750至1090°C）的升高，相组成保持不变，尽管白云母的百分比略有下降。
平衡过程
在相同的P-T参数下，通过两组实验（每组14次和5次运行）模拟了微量元素在迁移相/残留物之间的分配（表2）。在第一组40至150小时的运行中，系统达到平衡的过程得到了Sokol等人（2025）的验证。从新形成的固体（石榴石、单斜辉石、蓝晶石）和液体（含水熔体）的存在可以推断出系统达到平衡的过程。
结论
当压力从3.0 GPa增加到7.8 GPa时，富含挥发物的石英-白云母-绿泥石片岩脱水形成的迁移相从含水熔体转变为超临界液体（SCL）。在5.5 GPa和850°C条件下，从白云母片岩中释放的迁移相含有典型的SCL H2O + CO2含量，其主要元素（Sokol等人，2025）和微量元素的组成介于含水熔体和超临界液体之间。在含水熔体中，Nb的迁移性与...
<红it作者贡献声明>
亚历山大·G·索科尔（Alexander G. Sokol）：撰写初稿、可视化处理、项目监督、方法论制定、资金获取、数据管理、概念构思。奥尔加·A·科兹梅恩科（Olga A. Kozmenko）：数据验证、方法论分析、正式数据分析。阿列克谢·N·克鲁克（Alexey N. Kruk）：方法论分析、正式数据分析、数据管理。谢尔盖·尤·斯库佐瓦托夫（Sergey Yu. Skuzovatov）：方法论分析、正式数据分析。
<竞争利益声明>
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
<致谢>
本文得益于Jörg Hermann和一位匿名审稿人的建设性批评。本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号：22–17-00005P）的支持。实验样品的ICP-MS、EDS-SEM和EPMA分析在novosibirsk的多元素和同位素研究分析中心进行。
