研究人员用一种新颖的方法来解决一个经典问题，揭示了过去20亿年海洋化学的变化是如何在岛弧上形成的火山岩上留下印记的。岛弧产生于沿俯冲带的火山活动，一个构造板块潜入另一个板块之下，在大陆地壳的形成中起着至关重要的作用。
这项研究揭示了这些弧线是如何通过深时间联系与海洋化学相互作用的，而这些联系现在才被发现。这项研究发表在10月18日的《美国国家科学院院刊》上。
这项研究是地质学教授Claire Bucholz和加州大学伯克利分校实验室的合作成果，研究表明，在地质时期，岛弧岩浆的锶同位素组成随着海水锶组成的变化而变化。
具体而言，本研究提出了一种海水锶通过海底热液蚀变向岛弧转移的共变模型，该共变模型最终俯冲到岛弧岩浆的地幔源区，然后并入岛弧玄武岩中。
Bucholz研究地球上从地表到地幔的不同储层是如何相互作用的，以及这些相互作用是如何随着时间而变化的。俯冲带是提出这些问题的绝佳地点，因为它们代表了主要储层（海洋、地壳和地幔）之间的界面，而且因为俯冲过程已经在地球上运行了数十亿年。
俯冲板块由洋壳组成，通过热液蚀变，洋壳上留下了海水的化学印记。当俯冲板块下降到地幔中时，它被加热并释放出富含水的流体，然后融化，这些流体将这种海水衍生的化学特征带入上覆的地幔。反过来，这些流体的涌入导致地幔融化，产生岩浆，最终上升并在地球表面喷发。
这个过程产生了岛弧火山，就像在阿留申群岛或太平洋火山带其他地方发现的那样。在这些岛弧中发现的岩浆岩在化学成分中带有海水的原始指纹，因此，通过研究它们，研究人员可以了解它们与海洋的联系。
说到现代地球，地球化学家普遍认为海水和岛弧玄武岩之间存在联系。例如，现代岛弧玄武岩的一个众所周知的特征是，相对于洋中脊形成的玄武岩，它们富含放射性成因的锶，洋中脊是分开的，而不是俯冲的。
这种富集的典型解释是，“额外的”放射性成因锶是由俯冲的海洋地壳提供的，在俯冲之前，海洋地壳吸收了放射性成因的海水锶。
使用放射性同位素（通过放射性衰变产生的同位素）来研究弧岩浆有着丰富的历史，由共同作者唐纳德·德保罗（Donald DePaolo）开创，他于1978年在加州理工学院获得博士学位，现在是加州大学伯克利分校的教员。
在加州理工学院期间，德保罗发明了一种方法，首次对陆地岩石进行了钕同位素测量，并结合锶同位素研究了它们在岛弧岩浆中的变化。
这项工作为岩石放射性成因同位素研究的发展奠定了基础，并从此成为地球化学研究的基石。这项新研究由加州理工学院现任研究生阿曼达·贝纳里克（Amanda Bednarick）领导，建立在这个基础上，并将在加州理工学院工作了40多年的研究人员联系在一起，包括共同作者丹尼尔·斯托尔珀（Daniel Stolper）博士。14)。
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这项新工作需要对过去岛弧岩石中锶同位素的文献数据进行细致的梳理。虽然这些数据已经存在了几十年，但没有人承担编译和分析这些数据的任务，因为岩浆岩中最初的锶比例很容易改变，而且常常模糊不清。然而，通过对现有数据集的仔细评估，只选择最可靠的测量结果，Bednarick能够记录一个明确的信号。
布霍尔兹说：“阿曼达所做的文献回顾和汇编工作耗时耗力。”“然而，只有通过这些努力，才会出现最高质量的数据集，我们才能对地质历史做出一些重要的判断。”
“我们只是笼统地了解海水锶和岛弧火山岩之间的联系，但通过仔细评估数据发现的相关性是不可否认的，”德保罗补充说。
Bednarick表明，岛屿玄武岩中锶的同位素比率与过去地质时期海水的同位素比率相关良好，这是由于大陆（放射性成因）与地幔（非放射性成因）注入海洋的锶的数量的变化而变化的。最引人注目的是，岛弧中锶同位素比率的显著增加与新元古代晚期（大约6亿年前）海洋化学的已知变化相吻合。
为了理解这种关系，Bednarick和合作者开发了一个模型，将已知的海水化学记录和锶输入到岛弧岩浆中。这些模型表明，岛弧玄武岩中的锶同位素比值可以完全通过海水化学变化来解释，而海水化学变化反过来又反映了更广泛的地质和气候变化。
“这项研究强调了地球表面的变化，特别是海洋化学的变化，是如何通过在俯冲带形成的火山岩记录在地球深处的。这是一个很好的例子，说明地球上的系统是如何相互联系的，即使是在数十亿年的时间里，”贝纳里克解释说。
了解控制岛弧形成的古代地球化学过程对于重建地球构造和海洋的历史至关重要。这项研究表明，今天观察到的模式有很深的根源，古代岛弧的锶同位素特征可以为地球的长期演化提供有价值的线索。
下一步，贝德纳里克的目标是研究被称为蛇绿岩的岩石序列，它代表了现在保存在大陆上的热液改变的海洋地壳的碎片，以进一步了解10亿多年前海水的化学成分。
