馬里亞納島弧俯沖板塊脫水／熔融的機制與過程揭示

　　俯沖板塊的脫水/熔融對地球層圈間的物質與能量循環至關重要，其機制、過程與控制因素是固體地球科學界關注的焦點。俯沖板塊物質（包括沉積物、玄武巖和輝長巖）、地幔楔蛇紋巖和俯沖板塊巖石圈地幔蛇紋巖（簡稱板塊蛇紋巖）在板塊脫水/熔融過程中的作用存在爭議。近日，中國科學院廣州地球化學研究所研究員李洪顏、李杰、徐義剛與博士生趙瑞鵬，以及日本國立海洋研究開發機構（JAMSTEC）研究員Yoshihiko Tamura、美國德克薩斯大學達拉斯分校教授Robert J. Stern、美國南弗洛里達大學教授Jeffrey G. Ryan、加拿大皇后大學教授Christopher Spencer合作，剖析了西太平洋馬里亞納島弧弧前（forearc）蛇紋巖泥火山、前弧（volcanic front）和后弧（rear arc）火山巖（圖1）的Mo同位素，結合Sr-Nd-Pb-Hf放射成因同位素和主-微量元素，識別出不同端元組分的流體和熔體特征，區分出地幔楔和板塊蛇紋巖在板塊脫水/熔融過程中的作用。

　　鉬（Mo）在板塊脫水/熔融過程中表現出明顯的流體活動性，類似于Cs-Pb-Ba等元素，在殘留板塊中Mo主要進入金紅石，板塊的脫水/熔融導致Mo同位素（d98/95Mo）的分餾，重Mo進入流體/熔體相，輕Mo進入金紅石。Asùt Tesoru蛇紋巖泥火山相對虧損地幔具有重d98/95Mo，輕度富集Mo-Cs-Ba，表明只有形成深度>18km的地幔楔蛇紋巖，或者淺部形成的地幔楔蛇紋巖被俯沖以后受到>18km板塊流體的進一步交代，才可能構成島弧火山巖源區物質。前弧Pagan火山巖伴隨對應俯沖板塊深度增加d98/95Mo降低，Mo-Cs-Ba富集程度降低，Hf-Nd同位素和Hf/Nd比值同步降低，但Sr-Pb同位素無明顯變化，經典的蝕變玄武巖脫水+沉積物熔融，或單純的受溫度控制的玄武巖+沉積物混合物脫水/熔融無法解釋這些數據。這些數據表明前弧火山源區含有板塊的流體和熔體兩種組分，板塊的脫水和熔融是板塊蛇紋巖流體活動所致；兩種組分需要一個“中轉站”進行混合然后供給火山源區，并隨俯沖深度增加，流體組分減少，熔體組分增加；流體早于熔體到達“中轉站”，這個“中轉站”可能是被俯沖刮削的地幔楔蛇紋巖。后弧火山巖總體具有較輕的Mo同位素，d98/95Mo的升高伴隨Cs-Ba富集程度增加，Ce/Mo增加，Hf/Nd比值降低，Sr-Pb同位素變重，其源區組成可以用虧損地幔+板塊熔體解釋，相對西南Pagan低Sr-Pb同位素和更重d98/95Mo組成的特征表明板塊的熔融是板塊蛇紋巖流體活動所誘發（圖2）。

　　研究表明，馬里亞納俯沖板塊的脫水/熔融受控于地幔楔和板塊蛇紋巖的形成-俯沖-脫水過程。淺部（< 80km）蛇紋巖可以被俯沖板塊刮削進入深部俯沖隧道，同時這些蛇紋巖會進一步被俯沖板塊的流體/熔體交代，俯沖板塊的脫水/熔融受控于巖石圈地幔中蛇紋巖的分解。在200km以淺，俯沖隧道蛇紋巖的多期次分解誘發了前弧巖漿活動，200km以深俯沖隧道蛇紋巖消耗殆盡，板塊蛇紋巖的分解誘發俯沖板塊熔融，導致后弧巖漿活動（圖3）。本研究發現被俯沖的弧前地幔楔蛇紋巖扮演了板塊流體和熔體的“中轉站”角色，俯沖板塊蛇紋巖是板塊脫水/熔融的“操縱者”，并表現出階段性特征，<165km深度受控于水鎂石（brucite）分解，>200km受控于葉蛇紋石（antigorite）分解，板塊蛇紋巖釋放的流體可以提取整個洋殼的流體活動性元素，因此板塊流體/熔體的Pb-Sr同位素反映的是未蝕變輝長巖-玄武巖的特征，但因為蛇紋巖流體中含有極少量的Hf-Nd，板塊熔體Hf-Nd同位素反映的是洋殼表面物質組成（約10%沉積物+90%玄武巖）。

　　相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）的資助。論文的Mo同位素數據在廣州地化所公共技術服務中心元素與同位素分析平臺完成測試。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26322-8

圖1.馬里亞納匯聚板塊邊緣區域地圖及采樣地點（修改自Tamura et al. 2011, 2014）。Asùt Tesoru泥火山位于海溝以西72km，Pagan火山以東134km，對應俯沖板塊深度18km；Pagan火山位于馬里亞納前弧，對應俯沖板塊深度120-170 km；NW Rota-1火山位于后弧，對應板塊深度200-220 km

圖2.馬里亞納蛇紋巖泥火山與火山巖的Mo同位素與微量組成特征

圖3.馬里亞納島弧俯沖板塊脫水/熔融機制與過程模型圖