研究背景：钾（K）是地壳和海洋中的主要元素，积极参与地球岩石圈与水圈之间的物质循环 。定量评估现代海洋钾的收支预算及其地质演化，对于理解地球表层系统的宜居性演变至关重要。高温热液是全球海洋主要的钾来源之一，但在估计高温热液钾输入通量时，以往的研究主要聚焦于洋中脊玄武岩的热液蚀变，而忽视了俯冲带岛弧及弧后环境的长英质火山岩热液系统的贡献。事实上，弧火山岩平均K2O%含量约1 wt%，比洋中脊玄武岩（约0.1wt%）富集钾达10倍之多，且弧环境的热液钾含量中也显著高于洋中脊热液。这些富钾岩石与热液流体的相互作用，可能向海洋中释放大量的钾，但这一通量在过去的全球模型中常被忽略或低估。
图1 (A)全球弧火山岩的K2O (wt%)与SiO2 (wt%)含量汇编数据。(B)洋中脊、弧火山及弧后扩张盆地热液流体的K/Cl比值与Mg浓度数据 。
针对这一科学问题，研究利用国际大洋发现计划（IODP）376航次的珍贵岩芯样品，对Kermadec arc的Brothers海底火山进行了系统的地球化学与钾同位素研究。Brothers火山在同一个火山口内发育了两个性质截然不同的热液系统，为对比研究提供了天然实验室。U1528孔是典型弧环境热液系统，在受岩浆挥发分（富含CO2和H2S）直接影响的酸性热液系统中，强烈的酸性环境导致岩石矿物溶解，钾元素淋滤流失，亏损率达10%-90%。在这一偏动力学过程中，轻钾同位素优先进入流体，导致残留岩石显著富集重钾同位素（δ41K最高达+0.24‰）。U1530A孔发育了类洋中脊的热液系统，虽然温度依然较高，但由于伊利石等富钾次生矿物的沉淀，岩石表现出钾的净富集 。这些次生矿物优先结合轻钾同位素，使得蚀变岩石的δ41K值显著降低（最低至-0.83‰）。这一结果表明，弧热液系统中的钾循环并非单纯受温度控制，而是受流体化学性质（特别是挥发分含量）和矿物组合（如伊利石沉淀）的共同制约。
图2 Brothers火山U1528和U1530A钻孔蚀变岩石的钾同位素(δ41K)与钾关系图。
全球启示：这项研究首次量化了弧热液系统的全球通量。通过整合全球热液流体的地球化学数据，研究团队发现，岛弧和弧后环境的高温热液流体中，经氯校正后的平均钾浓度为44.4 mmol/kg，是洋中脊热液流体（21.4 mmol/kg）的两倍以上 。基于此数据估算，弧热液系统虽然在高温热液水通量上仅占全球热液循环的10%，但其贡献了约20%的全球高温热液钾输入通量 ，弧热液活动是现代海洋不可忽视的钾源。
图3 高温热液流体中钾浓度的直方图对比：上图为洋中脊扩张中心（MORs），下图为弧、弧后及弧火山环境。数据为经过氯（Cl）校正后的钾浓度，虚线代表各构造背景下热液流体中的平均钾浓度。
南京大学曹程助理教授为论文第一作者，南京大学蔡元峰教授为论文通讯作者，合作者包括南京大学李伟强教授，陈天宇教授和陈骏教授。该研究得到了国家自然科学基金（42372052；42203003；42425301）的资助。
论文信息：
CaoCao, Cheng, Weiqiang Li, Tianyu Chen, Jun Chen, and Yuanfeng Cai. 2026. “Global K Cycle Revisited: The Role of Arc Hydrothermal Systems.”Geochimica et Cosmochimica Acta S0016703725006921. doi:10.1016/j.gca.2025.12.011.
图文：曹程
审核：曾罡
