传统观点普遍认为固体地球过程，如俯冲作用和地幔柱等，对于地球表生环境具有重要影响，特别是在控制全球温度以及相关生物响应等方面具有重要作用。然而，对于地球表生环境对地球深部作用的影响，相关研究却相对较少。俯冲过程可以将地表物质带入地球内部，因此岛弧岩浆是研究地球表生环境对于地球深部影响的良好对象。
鉴于太阳辐射与地球轨道关系，地球的表生环境具有明显的纬度效应，并会显著影响海洋生物的分布规律等。生物作为主要的有机碳，对于地球内部物质来说是重要的还原剂。因此当这些生物随板块作用进入地球内部时，则可能会改变岛弧地幔的氧化还原状态。而由于生物的分布具有纬度效应，因此岛弧地幔的氧化还原状态则也可能具有纬度效应，从而控制岛弧原始岩浆的氧逸度分布特征。虽然研究已经发现，岛弧原始岩浆的氧逸度具有较大的变化特征，但是对于导致这一现象的原因，前人一般认为其可能与俯冲带的热结构或俯冲物质的氧逸度有关。
为探讨岛弧原始岩浆氧逸度与地表环境之间的关系，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变重点实验室胡方泱特聘副研究员、姜禾禾特聘副研究员、万博研究员、吴福元院士与亚利桑那大学Mihai N. Ducea教授、中国地质大学（北京）高磊副教授等合作，通过统计环太平洋岛弧带内橄榄石熔体包裹体与玄武岩全岩微量元素数据，对岛弧原始岩浆的氧逸度与纬度之间的关系进行了系统研究。
根据统计的全球岛弧带内橄榄石熔体包裹体数据，可以发现这些熔体包裹体的氧逸度具有一定随纬度变化而变化的规律，具体表现为低纬度岛弧地区的氧逸度相对较低（图1a）。但是，由于这些熔体包裹体数据有限，且对于其能否真实反映原始岩浆的氧逸度目前仍有一定争议，因此在此基础上进一步统计了岛弧玄武岩的全岩微量元素数据。统计结果显示，岛弧玄武岩的V/Sc比值与纬度具有良好的相关性（图1b），即在低纬度地区较低，而在高纬度地区较高。根据地球化学的模型计算表明(图2a)，在一定条件下，V/Sc比值可以与岩浆氧逸度直接对应，因此岛弧玄武岩的V/Sc比值表明低纬度岛弧地区的氧逸度相对较低。除V/Sc比值之外，岛弧玄武岩的Cu/Zr比值也在一定程度上反映了这一规律(图2b)。因此，根据统计的数据结果可以发现，岛弧玄武岩的氧逸度具有纬度控制的特征，这表明岛弧地幔的氧逸度具有纬度效应。
图1 岛弧橄榄石熔体包裹体氧逸度（a）、岛弧玄武岩V/Sc比值（b）与纬度的关系
图2 岛弧玄武岩V/Sc比值（a）、Cu/Zr比值（b）与氧逸度的关系
由于俯冲带热结构与纬度之间没有明显相关性，因此对于导致上述现象的原因，最可能的解释便是低纬度地区有更多相对还原的物质进入俯冲带。通过统计太平洋内颗粒有机碳（POC）随纬度的分布规律，结果显示低纬度地区有更多的POC会沉淀到大洋地壳上（图3a）。然而，根据钻孔数据表明，俯冲沉积物中的有机碳并没有明显的随纬度而变化的特征（图3b）。这样的不一致现象可以通过大洋地壳内发生的碳硫相互作用进行解释，即有机碳与硫酸盐发生反应，形成硫化物。根据地幔的初始氧化还原状态（S2-），硫化物（S-）的加入同样可以导致岛弧地幔的氧化，但是其氧化能力显然要弱于硫酸盐。因此，相比于高纬度地区，低纬度地区俯冲带可能有更多的硫化物加入，这也得到了橄榄石熔体包裹体中硫同位素数据的支持（图3c）。因此，上述过程反映了由于太阳辐射导致的随纬度变化的地表环境对地幔氧逸度的影响（图4）。
图3 颗粒有机碳（POC）（a）、俯冲沉积物碳含量（b）以及岛弧橄榄石熔体包裹体硫同位素组成（c）随纬度的变化
图4 纬度控制的岛弧岩浆氧逸度成因模型。SST：海面温度；NPP：净初级生产力；POC：颗粒有机碳
该研究通过全球数据统计，建立了岛弧岩浆氧逸度与纬度的关系，反映了地表环境对地球内部物质组成的重要影响，对于研究地质历史时期的环境演化以及相关资源富集具有重要意义。同时，本研究也指出目前的数据仍然相对有限，需要进一步工作对上述现象与过程进行进一步探究与验证。
研究成果发表于国际权威学术期刊Nature Communications（Hu FY*, Jiang HH, Wan B, Mihai N. Ducea, Gao L, Wu FY . Latitude-dependent oxygen fugacity in arc magmas. Nature Communications, 2024, 15: 6050. DOI: 10.1038/s41467-024-50337-6.）。该研究受国家自然科学基金项目（92255303, 42325206, 42488201）和中国科学院先导B项目（XDB0710000）等联合资助。
