最近張立飛教授課題組與瑞士波恩大學Joerg Hermann教授合作，在俯沖帶島弧岩漿成因岩漿方面研究取得重要研究進展，提出了島弧玄武岩漿俯沖闆片熔融新模式。該項成果于2022年1月12日發表在Science Advances上（Li et al., Sci. Adv. 8, eabh2166 (2022) 12 January 2022, https://doi.org/10.1126/sciadv.abh2166），李慧娟副研究員是該文的第一作者，張立飛教授是通訊作者，beat365為第一完成單位。該項研究獲重點研發計劃項目（2019YFA0708501）資助。

島弧玄武岩最重要的地球化學特征是富集不相容微量元素，這代表了俯沖闆片物質的加入，而俯沖物質的循環形式和機制是目前島弧玄武岩成因争論的焦點（Zheng, 2019）。通常認為俯沖闆塊變質過程中釋放的流體交代地幔楔，發生部分熔融是産生島弧岩漿作用的主要成因機制，但藍片岩榴輝岩岩石地球化學特征和高溫高壓實驗研究表明，單純的洋殼岩石超高壓變質過程中釋放的流體不足以導緻島弧玄武岩的強富集不相容微量元素特征（Spandler et al., 2003; Ai et al., 2006;Tao et al., 2020）。因此，島弧玄武岩漿成因的沉積物熔體和蝕變洋殼富水溶液混合模型（Kessel,et al., 2005; Hermann and Rubatto, 2009）、高鹽度富水溶液模型（Keppler H., 1996；Rustioni et al., 2019)得到越來越多的認可，但近年來強調固相物質加入的混雜岩底劈模型對此提出了新的挑戰（Nielsen & Marschall, 2017）。張立飛課題組在闆片熔融的實驗岩石學研究基礎上，建立了一套計算方法來限定來自俯沖闆片的熔體、超臨界流體和富水溶液中的微量元素含量。結果表明全球島弧玄武岩的微量元素特征與闆片熔體成分密切相關，而無法用富水溶液和混雜岩熔體成分來解釋。闆片熔融溫度變化導緻的元素分異可以解釋島弧玄武岩中元素比值之間存在的幂函數的相關性。據此，他們提出了島弧玄武岩漿成因的闆片熔融新模型。

在解釋島弧玄武岩成因的模型中，大家普遍使用的是虧損地幔、蝕變洋殼釋放的富水溶液和沉積物熔體的三元混合模型(Elliott et al., 1997; Elliott, 2003)。大離子親石元素（LILE）和輕稀土（LREE）的比值與原始地幔歸一化的(La/Sm)N的相互關系的投圖是島弧玄武岩最具代表性的地球化學特征。以Ba/Th與(La/Sm)N的投圖為例（圖1），全球島弧玄武岩都落在一條可以用指數為負數的幂函數來拟合的曲線上。三元混合模型中，高Ba/Th，低(La/Sm)N的端元通常被認為代表了蝕變洋殼釋放的富水溶液，而低Ba/Th，高(La/Sm)N的端元則代表沉積物熔體。這一推斷與大離子親石元素在水溶液中的活動性以及Sr，Nd等同位素證據相一緻(Elliott, 2003)。但這個模型存在的問題包括：洋殼是貧Ba的，另外，我們如何保證富水溶液和沉積物熔體的貢獻一定是此消彼長的關系呢？當我們把島弧的Ba/Th和(La/Sm)N與H2O/Ce做投圖時（圖1），發現他們之間都有幂函數的關系；而且Ba/Th與H2O/Ce之間有正相關關系，(La/Sm)N與H2O/Ce之間有負相關關系。H2O/Ce比值是可以用做計算俯沖闆片表面的溫度計(Plank et al., 2009)，高值代表冷的闆片，低值代表熱的闆片。因此高的Ba/Th比值代表低溫闆片熔融，而高的(La/Sm)N比值代表高溫闆片熔融，Ba/Th與(La/Sm)N的相關性可以由闆片熔融時溫度的變化來解釋。

圖1 三元混合模型中，Ba/Th和(La/Sm)N分别代表了蝕變洋殼釋放的富水溶液和沉積物熔體端元（A）。而他們與H2O/Ce的相關性可以用幂函數來拟合，代表了闆片熔體中由于溫度變化而發生的元素分異（B，C）。

在研究島弧岩漿的文章中，元素比值的相關性投圖很常見；之前并沒有人用幂函數做過拟合（圖1）。簡單來講，元素比值與溫度的倒數具有指數關系：，因此兩個元素比值之間存在幂函數的關系：；而元素比值與溫度的指數關系是由于元素的分配系數或者兩個元素的交換系數是溫度倒數的指數函數的緣故，具體的公式推導請參考文章正文。當我們把計算得到的沉積物熔體的Ba/La，Nd/Sr和H2O/Ce進行投圖時，發現這些元素比值之間不僅具有很好的幂函數的相關性，他們與從原始島弧玄武岩推導出的俯沖組分幾乎完全重疊（圖2）。

圖2 闆片熔融時溫度變化造成的元素分異。元素比值與溫度的倒數具有指數關系，兩個元素比值之間為幂函數關系（B，C）。GLOSS熔體中Ba/La，Nd/Sr和H2O/Ce比值根據Hermann and Rubatto (2009)的實驗數據計算得到，與原始島弧玄武岩的俯沖組分(Ruscitto et al., 2012)完美重合，并且元素比值間的相關性可以用幂函數拟合(E，F)。

為了與不同的模型進行對比，我們選擇了GLOSS (Plank and Langmuir, 1998)和SUPER AOC (Kelley et al., 2003)作為沉積物和蝕變洋殼的标準成分，這樣一來，使用了不同起始成分的不同實驗之間具有了可比性。在Nd/Sr與H2O/Ce的對數坐标投圖中（圖3），沉積物熔體、洋殼熔體/超臨界流體分别落在了兩條線性區域。幂函數的曲線在對數坐标投圖中顯示為直線。不同實驗的可對比性證明了這一計算方法的正确和實用性。我們的計算結果顯示，LILE/LREE、LILE/H2O和H2O/LREE比值可以用來區分俯沖帶不同種類和不同來源的流體。沉積物是大離子親石元素和輕稀土的最重要的來源，因此主導了LILE/LREE的分異，而洋殼對于Sr和中稀土的貢獻同等重要。

圖3 來自沉積物或者洋殼的熔體、超臨界流體和富水溶液中的微量元素含量與原始島弧玄武岩的對比，以Nd/Sr與H2O/Ce為例。黃色十字代表全球原始島弧玄武岩成分。不同圖例代表根據不同實驗數據計算得到的結果。

圖4 闆片熔體、混雜岩熔體與馬裡亞納島弧玄武岩的對比。闆片熔體和混雜岩熔體的Nd/Sr比值根據實驗數據計算得到。藍色方框代表推算的俯沖組分，可以由沉積物熔體、蝕變洋殼熔體和未蝕變洋殼熔體的混合得到。

Nielsen and Marschall (2017)支持混雜岩底劈模型的一個重要論點是基于Nd/Sr與87Sr/86Sr的投圖，他們指出虧損地幔和沉積物熔體、洋殼流體的混合無法得到島弧的Nd/Sr比值；提出虧損的Sr同位素特征是混雜岩的标志，而Nd/Sr比值的範圍代表了混雜岩在地幔熔融時的分異。這一論點存在以下問題：1）他們根據單一的Nd，Sr分配系數計算了沉積物熔體中的Nd/Sr，然而我們的計算表明沉積物熔體和洋殼熔體的Nd/Sr比值都和島弧的範圍一緻（圖4）；2）在地幔溫度的條件下混雜岩的熔融無法實現Nd與Sr的分異；3）原始島弧玄武岩的Nd/Sr比值遠低于混雜岩熔體的Nd/Sr（圖4）。我們認為虧損的Sr同位素指示了未蝕變洋殼對Sr的貢獻（圖4）。沉積物熔體、蝕變洋殼熔體和未蝕變洋殼熔體的共同貢獻可能是全球島弧物質循環的基本機制。

圖5 島弧岩玄武岩的闆片熔融模式

參考文獻：

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