Constraints on the sulfur subduction cycle in Central America from sulfur isotope compositions of volcanic gases
Constraints on the sulfur subduction cycle in Central America from sulfur isotope compositions of volcanic gases
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火山气体硫同位素组成对中美洲硫俯冲旋回的制约
DOI：
10.1016/j.chemgeo.2021.120627
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
3.9
通讯作者：
Plank, Terry
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
de Moor, J. Maarten;Fischer, Tobias P.;Plank, Terry
趋同边缘的硫循环仍然缺乏约束，但对于理解地球储层的氧化还原状态和矿床的形成至关重要。在本研究中，我们研究了尼加拉瓜弧段（平均值为+4.8±1.3‰）和哥斯达黎加弧段（平均值为+2.3±1.3‰）高温火山气体的硫同位素组成，这些气体对中美洲南部火山弧（SCAVA，平均值为+3.8±1.7‰）的排放有贡献。SCAVA地球化学示踪剂的弧形变化被广泛接受，反映了俯冲参数和深部流体来源的变化，并观察了这些参数与气体S同位素组成之间的相关性。这些相关性表明，气体排放来源于δ34S ~ 0‰的地幔S和δ34S≥~ +8‰的重同位素板源硫的混合。我们采用蒙特卡罗质量平衡模型来约束俯冲带的硫输入以及地幔和板块对弧硫排放的相对贡献。模型表明，尼加拉瓜的大块俯冲输入的S同位素组成为+1.4±0.5‰，而哥斯达黎加为- 0.2±0.4‰，这需要同位素重氧化S优先从板块释放，以解释弧输出中观测到的相对较高的δ34S。我们发现，在弧的生命周期内，来自板块的S通量足以氧化整个地幔楔，表明S是俯冲带的主要氧化剂。此外，重S优先从板状岩中去除需要在残余板状岩中保留同位素轻S。S同位素的俯冲尺度分馏对于解释为什么地球的大块地表储层同位素为正至关重要。
The sulfur cycle at convergent margins remains poorly constrained yet is fundamentally important for understanding the redox state of Earth's reservoirs and the formation of ore deposits. In this study we investigate the sulfur isotope composition of high temperature volcanic gases emitted from the Nicaraguan (average of +4.8 ± 1.3‰) and Costa Rican (average of +2.3 ± 1.3‰) arc segments contributing to emissions from the Southern Central American Volcanic Arc (SCAVA; average of +3.8 ± 1.7‰). Along-arc variations in geochemical tracers at SCAVA are widely accepted to reflect variations in subduction parameters and deep fluid sources and correlations between these parameters and gas S isotope compositions are observed. These correlations suggest that gas emissions are sourced from a mixture of mantle S with δ34S ~ 0‰ and isotopically heavy slab-derived sulfur with δ34S ≥ ~ +8‰. We employ Monte Carlo mass balance modeling to constrain S inputs to the subduction zone and relative contributions from mantle and slab to arc sulfur emissions. The models indicate that bulk subduction input in Nicaragua has a S isotope composition of +1.4 ± 0.5‰ compared to −0.2 ± 0.4‰ in Costa Rica, requiring preferential release of isotopically heavy oxidized S from the slab to explain the relatively high δ34S observed in arc outputs. We show that the flux of S from the slab is sufficient to oxidize the entire mantle wedge within the lifetime of the arc, indicating that S is a primary oxidizing agent in subduction zones. Furthermore, the preferential removal of heavy S from the slab requires retention of isotopically light S in the residual slab. Subduction-scale fractionation of S isotopes is fundamentally important in explaining why Earth's bulk surface reservoirs are isotopically positive.
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