近日，中科院海洋所張國良課題組主導(dǎo)的西南馬里亞納島弧構(gòu)造、形成時(shí)代和巖漿作用研究取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)基于西南馬里亞納島弧火山巖和變質(zhì)巖地球化學(xué)和年代學(xué)，研究揭示了卡洛琳洋底高原對西南馬里亞納島弧在巖漿和構(gòu)造演化方面的重要影響。相關(guān)成果發(fā)表在國際海洋科學(xué)期刊《深海研究》（Deep-Sea Research Part I）。
洋底高原隨著大洋板塊運(yùn)動(dòng)至俯沖帶時(shí)，可能對俯沖帶邊界形態(tài)、島弧構(gòu)造演化產(chǎn)生重要影響，并引起大規(guī)模變質(zhì)和巖漿活動(dòng)。該研究團(tuán)隊(duì)通過“發(fā)現(xiàn)”號無人纜控潛水器在馬里亞納島弧最南端的弧前區(qū)（圖1）獲得了火山巖和變質(zhì)巖樣品（圖2）。這些火山巖和變質(zhì)巖是研究洋底高原特殊與俯沖帶相互作用機(jī)制的理想對象，可能記錄了卡洛琳洋底高原與西南馬里亞納島弧的形變和演化歷史。
圖1 西太平洋海底地形和構(gòu)造背景示意圖（a）；馬里亞納俯沖帶最南端的弧前區(qū)M2站位的火山巖和變質(zhì)巖樣品采樣位置圖（b）
圖2 火山巖樣品（a-c）和變質(zhì)巖樣品（d-f）的海底采樣、微區(qū)礦物組成、和背散射照片
該研究表明，該區(qū)變質(zhì)巖樣品主要為綠片巖相變質(zhì)巖，原巖為低硅玻安巖，具有高硅高鎂、低鈦，且輕稀土元素十分虧損的特征（圖3）。玻安質(zhì)綠巖的全巖K-Ar和磷灰石原位U-Pb測年顯示變質(zhì)年齡分別為24.50 0.77 Ma（百萬年）和23.9 3.6 Ma（圖4），指示卡洛琳洋底高原的碰撞引起的區(qū)域變質(zhì)時(shí)間。火山巖樣品為拉斑玄武巖，具有Nb、Zr、Hf和Ti的負(fù)異常，輕稀土元素極其虧損、高V/Ti和低Yb/V等結(jié)果指示該火山巖具有類似弧前玄武巖的地球化學(xué)特征（圖3）。根據(jù)火山巖斜長石40Ar/39Ar測年，這些火山巖年齡為18.76 0.79 Ma和16.89 0.70 Ma（圖4）?；鹕綆r明顯產(chǎn)生于上述玻安巖變質(zhì)事件之后，代表構(gòu)造后期的巖漿作用。
圖3 馬里亞納俯沖帶最南端M2站位的和玻安質(zhì)綠巖（a-b）和火山巖樣品（c-d）的微量元素蛛網(wǎng)圖和稀土元素配分形式圖
圖4 火山巖樣品（M2-13-3）的斜長石Ar-Ar定年結(jié)果（a–b）；變質(zhì)巖樣品（M2-22-2）的磷灰石U-Pb定年結(jié)果（c）
圖5 西南馬里亞納俯沖帶的構(gòu)造演化模型：碰撞前階段（a）、碰撞階段（b-c）和碰撞后階段（d-e）
以上結(jié)果表明，卡洛琳洋底高原與馬里亞納島弧的相互作用至少起始于~24Ma，可能對塑造現(xiàn)代西南馬里亞納的超大海溝水深和島弧構(gòu)造形態(tài)起到重要作用（圖5）?，F(xiàn)代西南馬里亞納島弧狹窄的溝弧距可能與卡洛琳洋底高原的到來有重要關(guān)系，洋底高原導(dǎo)致了碰撞和緩慢俯沖，導(dǎo)致該區(qū)弧前出現(xiàn)大量變質(zhì)巖，很大程度上也抑制了西南馬里亞納島弧巖漿的產(chǎn)率。類似弧前玄武巖的島弧火山巖（~18Ma）出現(xiàn)，可能與洋底高原引起的俯沖減速和板片斷離有關(guān)?？辶昭蟮赘咴牡絹硪仓厮芰朔坡少e海板塊和卡洛琳板塊的邊界形態(tài)，助力了菲律賓海板塊的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并引起了帕里西維拉海盆擴(kuò)張方向的改變。
該研究厘定了西南馬里亞納島弧的形成年代和構(gòu)造演化歷史，揭示了卡洛琳洋底高原俯沖對西南馬里亞納俯沖帶構(gòu)造演化的影響，對于深入理解洋底高原與俯沖帶相互作用的板塊動(dòng)力學(xué)機(jī)制具有重要意義。
論文第一作者為中科院海洋所特別研究助理張吉博士，通訊作者為張國良研究員，合作者為美國休斯敦大學(xué)Jonny Wu助理教授。本研究得到中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
論文信息：
Zhang J, Zhang G, Wu J (2023) Geochemical and geochronological constraints on the tectonic and magmatic evolution of the southwestern Mariana subduction zone. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers 197. https://doi.org/10.1016/j.dsr.2023.104039
