近日，海洋所深海中心孫衛(wèi)東研究員團(tuán)隊(duì)劉海洋等人在馬里亞納俯沖帶弧前水巖反應(yīng)和硼（B）同位素地球化學(xué)行為研究上取得新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Lithos上。
板塊構(gòu)造理論提出以來(lái)，作為地球內(nèi)部-外部，物質(zhì)和能量交換的重要場(chǎng)所，俯沖帶得到了地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注。研究表明俯沖帶是全球火山作用最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。前人有關(guān)俯沖帶物質(zhì)循環(huán)的研究通常利用蝕變洋殼和沉積物代表俯沖帶的輸入物質(zhì)，然后通過(guò)島弧巖石的研究來(lái)討論俯沖帶輸出物質(zhì)的組成。近期的研究發(fā)現(xiàn)俯沖帶的淺部弧前區(qū)域（海溝與島弧火山之間）同樣發(fā)生了強(qiáng)烈的水巖反應(yīng)過(guò)程，并存在大量的物質(zhì)運(yùn)移，是俯沖帶物質(zhì)循環(huán)的重要組成。然而由于俯沖帶淺部地質(zhì)樣品難以直接獲得，因此俯沖帶淺部水巖反應(yīng)過(guò)程仍缺乏系統(tǒng)的研究。馬里亞納俯沖帶弧前存在大量的蛇紋巖泥火山，其中的蛇紋巖泥沿?cái)嗔焉嫌康倪^(guò)程中可以攜帶俯沖隧道內(nèi)的地質(zhì)樣品到海底淺表，因此，這些樣品是研究俯沖帶淺部地質(zhì)過(guò)程的理想對(duì)象。該項(xiàng)研究以國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）366航次鉆探獲得的馬里亞納弧前泥火山中變質(zhì)基性巖樣品為研究對(duì)象，開(kāi)展了詳細(xì)的巖相學(xué)、元素地球化學(xué)、礦物化學(xué)和B同位素地球化學(xué)研究，研究結(jié)果有效揭示了俯沖帶弧前區(qū)域的流體活動(dòng)和變質(zhì)脫水過(guò)程，為揭示俯沖帶流體循環(huán)及島弧巖漿成因提供重要信息。
馬里亞納俯沖帶弧前蛇紋巖泥火山成因示意圖和IODP 366航次鉆探區(qū)域
巖相學(xué)工作顯示變質(zhì)基性巖的原始礦物主要為輝石和斜長(zhǎng)石，變質(zhì)礦物主要為綠纖石、海綠石、綠鱗石、蒙脫石、皂石和方解石等。變質(zhì)礦物均富集B、As、Sb、Pb等流體活動(dòng)性元素，表明在俯沖帶淺部，這些變質(zhì)礦物可以使變質(zhì)基性巖富含一定量的流體活動(dòng)性元素。隨著俯沖深度增加，以上礦物的分解或轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙璋自颇傅鹊V物，可能會(huì)釋放一定量的流體活動(dòng)性元素。研究匯集了已發(fā)表馬里亞納弧前蛇紋巖泥火山中變質(zhì)基性巖的微量元素?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果顯示相關(guān)微量元素比值之間存在相關(guān)性（As/Ce和Sb/Ce等與B/La和B/Nb），反映了在弧前區(qū)域流體活動(dòng)性元素通過(guò)變質(zhì)脫水作用過(guò)程釋放到了地幔楔。硼同位素研究顯示變質(zhì)基性巖具有明顯重于新鮮洋中脊玄武巖和洋島玄武巖的硼同位素組成。變化范圍與蝕變洋殼最上部組分的硼同位素組成類似。該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)隨著蛇紋巖泥火山與海溝距離的增加，從Fantangisna海山（62km）經(jīng)As t Tesoru海山（72km），再到South Chamorro海山（78km），變質(zhì)基性巖的B同位素逐漸變輕，代表了隨著變質(zhì)溫度、壓力增加，板片分異的富集重硼同位素的流體逐漸被釋放至地幔楔。該研究進(jìn)行了脫水分餾過(guò)程模擬計(jì)算，模擬結(jié)果顯示俯沖帶變質(zhì)殘余板片與變質(zhì)基性巖B同位素組成吻合，并且板片分異流體具有與蛇紋石化橄欖巖一致的組成，進(jìn)一步證實(shí)了以上研究結(jié)論的正確性。
變質(zhì)基性巖B同位素組成及隨海溝距離的變化趨勢(shì)
該研究表明俯沖帶弧前區(qū)域存在大量的流體釋放過(guò)程，并伴隨流體活動(dòng)性元素的運(yùn)移。以硼元素為例，約73%的硼元素在弧前釋放，該部分物質(zhì)將促使地幔楔的蛇紋石化，并有可能進(jìn)一步拖拽至弧下深度，隨著地幔楔的熔融，而循環(huán)至島弧巖漿。該研究為俯沖帶物質(zhì)循環(huán)，島弧巖漿成因提供重要信息。
上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金和中科院先導(dǎo)項(xiàng)目等的聯(lián)合資助。論文第一作者為深海中心特別研究助理劉海洋，通訊作者為劉海洋、鄧江洪。
相關(guān)成果論文題目及發(fā)表鏈接如下：
Liu Haiyang., Xue Ying.-Yu., Yang Tinggen., Jin Xin., You Chen.-Feng., Lin Chiou.-Ting., Sun Wei.-Dong. and Deng Jianghong. (2022) Fluid-rock interactions at shallow depths in subduction zone: Insights from trace elements and B isotopic composition of metabasites from the Mariana forearc. Lithos 422-423, 106730.
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0024493722001396