张立飞教授课题组在俯冲带岛弧岩浆成因方面研究取得重要进展，提出了板片熔融形成岛弧玄武岩新模式

　　

　　最近张立飞教授课题组与瑞士波恩大学Joerg Hermann教授合作，在俯冲带岛弧岩浆成因岩浆方面研究取得重要研究进展，提出了岛弧玄武岩浆俯冲板片熔融新模式。该项成果于2022年1月12日发表在Science Advances上（Li et al., Sci. Adv. 8, eabh2166 (2022) 12 January 2022, https://doi.org/10.1126/sciadv.abh2166），李慧娟副研究员是该文的第一作者，张立飞教授是通讯作者，北京大学为第一完成单位。该项研究获重点研发计划项目（2019YFA0708501）资助。

　　岛弧玄武岩最重要的地球化学特征是富集不相容微量元素，这代表了俯冲板片物质的加入，而俯冲物质的循环形式和机制是目前岛弧玄武岩成因争论的焦点（Zheng, 2019）。通常认为俯冲板块变质过程中释放的流体交代地幔楔，发生部分熔融是产生岛弧岩浆作用的主要成因机制，但蓝片岩榴辉岩岩石地球化学特征和高温高压实验研究表明，单纯的洋壳岩石超高压变质过程中释放的流体不足以导致岛弧玄武岩的强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，岛弧玄武岩浆成因的沉积物熔体和蚀变洋壳富水溶液混合模型（Kessel,et al., 2005; Hermann and Rubatto, 2009）、高盐度富水溶液模型（Keppler H., 1996；Rustioni et al., 2019)得到越来越多的认可，但近年来强调固相物质加入的混杂岩底劈模型对此提出了新的挑战（Nielsen & Marschall, 2017）。张立飞课题组在板片熔融的实验岩石学研究基础上，建立了一套计算方法来限定来自俯冲板片的熔体、超临界流体和富水溶液中的微量元素含量。结果表明全球岛弧玄武岩的微量元素特征与板片熔体成分密切相关，而无法用富水溶液和混杂岩熔体成分来解释。板片熔融温度变化导致的元素分异可以解释岛弧玄武岩中元素比值之间存在的幂函数的相关性。据此，他们提出了岛弧玄武岩浆成因的板片熔融新模型。

　　

　　

　　

　　在解释岛弧玄武岩成因的模型中，大家普遍使用的是亏损地幔、蚀变洋壳释放的富水溶液和沉积物熔体的三元混合模型(Elliott et al., 1997; Elliott, 2003)。大离子亲石元素（LILE）和轻稀土（LREE）的比值与原始地幔归一化的(La/Sm)N的相互关系的投图是岛弧玄武岩最具代表性的地球化学特征。以Ba/Th 与(La/Sm)N的投图为例（图1），全球岛弧玄武岩都落在一条可以用指数为负数的幂函数来拟合的曲线上。三元混合模型中，高Ba/Th，低(La/Sm)N的端元通常被认为代表了蚀变洋壳释放的富水溶液，而低Ba/Th，高(La/Sm)N的端元则代表沉积物熔体。这一推断与大离子亲石元素在水溶液中的活动性以及Sr，Nd等同位素证据相一致(Elliott, 2003)。但这个模型存在的问题包括：洋壳是贫Ba的，另外，我们如何保证富水溶液和沉积物熔体的贡献一定是此消彼长的关系呢？当我们把岛弧的Ba/Th和(La/Sm)N与H2O/Ce做投图时（图1），发现他们之间都有幂函数的关系；而且Ba/Th与H2O/Ce之间有正相关关系，(La/Sm)N与H2O/Ce之间有负相关关系。H2O/Ce比值是可以用做计算俯冲板片表面的温度计(Plank et al., 2009)，高值代表冷的板片，低值代表热的板片。因此高的Ba/Th比值代表低温板片熔融，而高的(La/Sm)N比值代表高温板片熔融，Ba/Th与(La/Sm)N的相关性可以由板片熔融时温度的变化来解释。

　　

　　

　　图1 三元混合模型中，Ba/Th和(La/Sm)N分别代表了蚀变洋壳释放的富水溶液和沉积物熔体端元（A）。而他们与H2O/Ce的相关性可以用幂函数来拟合，代表了板片熔体中由于温度变化而发生的元素分异（B，C）。

　　

　　在研究岛弧岩浆的文章中，元素比值的相关性投图很常见；之前并没有人用幂函数做过拟合（图1）。简单来讲，元素比值与温度的倒数具有指数关系：，因此两个元素比值之间存在幂函数的关系：；而元素比值与温度的指数关系是由于元素的分配系数或者两个元素的交换系数是温度倒数的指数函数的缘故，具体的公式推导请参考文章正文。当我们把计算得到的沉积物熔体的Ba/La，Nd/Sr和H2O/Ce进行投图时，发现这些元素比值之间不仅具有很好的幂函数的相关性，他们与从原始岛弧玄武岩推导出的俯冲组分几乎完全重叠（图2）。

　　

　　

　　图2 板片熔融时温度变化造成的元素分异。元素比值与温度的倒数具有指数关系，两个元素比值之间为幂函数关系（B，C）。GLOSS熔体中Ba/La，Nd/Sr和H2O/Ce比值根据Hermann and Rubatto (2009)的实验数据计算得到，与原始岛弧玄武岩的俯冲组分(Ruscitto et al., 2012)完美重合，并且元素比值间的相关性可以用幂函数拟合(E，F)。

　　

　　为了与不同的模型进行对比，我们选择了GLOSS (Plank and Langmuir, 1998)和SUPER AOC (Kelley et al., 2003)作为沉积物和蚀变洋壳的标准成分，这样一来，使用了不同起始成分的不同实验之间具有了可比性。在Nd/Sr与H2O/Ce的对数坐标投图中（图3），沉积物熔体、洋壳熔体/超临界流体分别落在了两条线性区域。幂函数的曲线在对数坐标投图中显示为直线。不同实验的可对比性证明了这一计算方法的正确和实用性。我们的计算结果显示，LILE/LREE、LILE/H2O和H2O/LREE比值可以用来区分俯冲带不同种类和不同来源的流体。沉积物是大离子亲石元素和轻稀土的最重要的来源，因此主导了LILE/LREE的分异，而洋壳对于Sr和中稀土的贡献同等重要。

　　

　　

　　图3 来自沉积物或者洋壳的熔体、超临界流体和富水溶液中的微量元素含量与原始岛弧玄武岩的对比，以Nd/Sr与H2O/Ce为例。黄色十字代表全球原始岛弧玄武岩成分。不同图例代表根据不同实验数据计算得到的结果。

　　

　　图4 板片熔体、混杂岩熔体与马里亚纳岛弧玄武岩的对比。板片熔体和混杂岩熔体的Nd/Sr比值根据实验数据计算得到。蓝色方框代表推算的俯冲组分，可以由沉积物熔体、蚀变洋壳熔体和未蚀变洋壳熔体的混合得到。

　　

　　Nielsen and Marschall (2017)支持混杂岩底劈模型的一个重要论点是基于Nd/Sr与87Sr/86Sr的投图，他们指出亏损地幔和沉积物熔体、洋壳流体的混合无法得到岛弧的Nd/Sr比值；提出亏损的Sr同位素特征是混杂岩的标志，而Nd/Sr比值的范围代表了混杂岩在地幔熔融时的分异。这一论点存在以下问题：1）他们根据单一的Nd，Sr分配系数计算了沉积物熔体中的Nd/Sr，然而我们的计算表明沉积物熔体和洋壳熔体的Nd/Sr比值都和岛弧的范围一致（图4）；2）在地幔温度的条件下混杂岩的熔融无法实现Nd与Sr的分异；3）原始岛弧玄武岩的Nd/Sr比值远低于混杂岩熔体的Nd/Sr（图4）。我们认为亏损的Sr同位素指示了未蚀变洋壳对Sr的贡献（图4）。沉积物熔体、蚀变洋壳熔体和未蚀变洋壳熔体的共同贡献可能是全球岛弧物质循环的基本机制。

　　

　　

　　

　　图5. 岛弧岩玄武岩的板片熔融模式

　　

　　

　　

　　参考文献：

　　Ai YL., Zhang LF., Li XP and Qu JF (2006) Progress in Nature Sciences,16, 624-632.

　　Elliott T. (2003) Tracers of the slab. In Inside the subduction factory (ed. J. M. Eiler). Geophysical Monograph Series Vol.138, AGU. pp. 23–45.

　　Elliott T., Plank T., Zindler A., White W. and Bourdon B. (1997) J. Geophys. Res. Solid Earth102, 14991–15019.

　　Hermann J. and Rubatto D. (2009) Chem. Geol.265, 512–526.

　　Kelley K. A., Plank T., Ludden J. and Staudigel H. (2003) Geochemistry, Geophys. Geosystems4, 8910.

　　Keppler H. (1996) Nature380, 237–240.

　　Kessel R., Schmidt M. W., Ulmer P. and Pettke T. (2005) Nature 437, 724–727.

　　Nielsen S. G. and Marschall H. R. (2017) Sci. Adv.3, e1602402.

　　Plank T., Cooper L. B. and Manning C. E. (2009) Nat. Geosci.2, 611–615.

　　Plank T. and Langmuir C. H. (1998) Chem. Geol.145, 325–394.

　　Ruscitto D. M., Wallace P. J., Cooper L. B. and Plank T. (2012) Geochemistry, Geophys. Geosystems13, Q03025.

　　Rustioni G., Audétat A. and Keppler H. (2019) Geochemical Perspect. Lett.11, 49–54.

　　Spandler C., Hermann J., Arculus R. and Mavrogenes J.(2003) Contrib. Mineral. Petrol. 146, 205–222.

　　Tao RB, Zhang LF, Liu X, Li SG.(2020) JAES 197, 104389.

　　Zheng(2019) Geoscience Frontiers 10, 1223-1254.