氧，作为生命生存的关键物质，是维持地球宜居环境的必要条件。大洋板块的俯冲携带了大量硫、铁、碳等氧化还原敏感的变价元素进入地球内部，驱动着地球表面与地球深部之间的氧循环，控制了地球历史时期大气中的氧气含量，对于宜居地球的形成和维持至关重要。目前研究普遍认为弧火山岩比洋中脊玄武岩更为氧化，然而其氧化的成因是“幔源”（俯冲板片对地幔楔的物质贡献）还是“壳源”（地壳演化过程的影响）存在极大争议，也是国际前沿的学术问题。而目前研究中的难点是，几乎没有能代表原生弧岩浆组成的火山岩，难以从根本上限定弧下软流圈地幔的氧化还原状态。

原生弧岩浆的氧化还原状态决定了岩浆中变价元素S的含量，从而控制了岩浆中亲硫元素Cu的系统变化。基于此，广州地化所杨阳副研究员(第十批会员)课题组对全球十万多件弧火山岩样品数据进行了系统汇总和梳理，发现不同俯冲带弧火山岩中的Cu/Zr比在岩浆演化初期均保持恒定（图1a），首次提出MgO>6%的弧火山岩的Cu/Zr比保存了其原生岩浆的信息，记录了地幔部分熔融过程中地幔硫含量和氧化还原状态的系统变化。因此，本研究重新限定了弧下地幔的硫含量，创新性的运用弧火山岩的Cu/Zr比识别出全球弧岩浆中变价元素硫和亲硫元素的地球化学行为，制约弧下地幔比洋中脊地幔更氧化（氧逸度最高可达FMQ+1.3，图1b,c），证实了弧岩浆氧化的成因来自于“幔源”。

弧岩浆中的Cu不仅记录了原生弧岩浆氧化还原状态的信息，也是斑岩铜矿成矿的关键。斑岩铜矿占据了全球75% Cu的勘探总量，主要产出于俯冲带。超大型斑岩铜矿主要分布在地壳厚度较厚的弧，前人提出厚弧火山岩中低Cu含量是岩浆在深部地壳中硫化物大量堆晶的结果，以此提出早期大量硫化物堆晶是厚弧富集大型斑岩铜矿的关键。然而本研究揭示了厚弧的原生岩浆具有较低Cu含量，是地壳厚度控制下地幔低程度部分熔融的结果，并不需要早期大量硫化物堆晶过程降低岩浆中的Cu含量，这对斑岩铜矿中Cu的超常富集机制提出了挑战。

图1. a)弧火山岩中Cu/Zr比与MgO协变图，b,c)定量模拟地幔熔融过程中原生洋中脊玄武岩和原生弧岩浆Cu/Zr的系统变化，指示弧下地幔比洋中脊下方地幔更氧化。

本研究为近十年来关于弧下软流圈地幔氧化还原状态的争论提供了新的限定，为地表与地球深部的氧循环过程提供了必要的证据，也为揭示斑岩铜矿的成因研究提供了理论支持。该研究受中科院青促会(2020349)等项目的资助，于3月23日发表于国际学术期刊《科学进展》（Science Advances）。

论文信息： S.-Y. Zhao, A. Y. Yang*, C. H. Langmuir, T.-P. Zhao, Oxidized primary arc magmas: Constraints from Cu/Zr systematics in global arc volcanics. Sci. Adv. 8, eabk0718 (2022).

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0718