近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院黃方教授團(tuán)隊(duì)與陳伊翔教授團(tuán)隊(duì)合作在俯沖帶弧巖漿成因研究方面取得重要進(jìn)展。研究基于鋇穩(wěn)定同位素“指紋”證據(jù)，提出了冷俯沖帶環(huán)境下弧巖漿由板片流體交代混雜巖熔融形成的新機(jī)制，為理解俯沖帶巖漿形成和地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)機(jī)理提供了關(guān)鍵約束。相關(guān)成果以“Arc magma formation through the fluid-fluxed mélange melting in subduction zones”為題，最近在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》。
板塊俯沖帶是連接地球表層與內(nèi)部的關(guān)鍵紐帶，也是地球內(nèi)外物質(zhì)循環(huán)的核心地帶。俯沖帶廣泛發(fā)育弧火山作用，所形成的巖漿巖普遍富集鋇等不相容元素，一般認(rèn)為與俯沖板片物質(zhì)的加入相關(guān)。然而，國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)弧巖漿形成的兩大核心問(wèn)題，即板片物質(zhì)的具體組分以及它們?nèi)绾芜\(yùn)移到弧下地幔，存在巨大爭(zhēng)議。
為厘清這一爭(zhēng)議，研究團(tuán)隊(duì)選取全球典型冷俯沖帶——西太平洋的伊豆弧為研究對(duì)象。該弧火山鏈分布規(guī)則、地殼混染影響較弱，是研究俯沖帶物質(zhì)遷移機(jī)制的理想天然實(shí)驗(yàn)室。島弧中鋇的來(lái)源和富集機(jī)制對(duì)理解其成因至關(guān)重要。基于以上考慮，團(tuán)隊(duì)利用高精度鋇穩(wěn)定同位素分析這一前沿技術(shù)，對(duì)伊豆弧火山巖進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并與全球島弧數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。
圖1.西太平洋伊豆弧成因的Ba-Sr-Nd同位素組成混合模擬結(jié)果
研究發(fā)現(xiàn)，伊豆弧巖漿的Ba-Sr-Nd同位素及微量元素組成特征不能用流行的流體交代地幔楔熔融或混雜巖模型來(lái)解釋?zhuān)c“混雜巖底辟-板片流體交代熔融”兩階段過(guò)程很好吻合（圖1）。據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)提出了弧巖漿的兩階段形成過(guò)程：（1）在較淺俯沖深度，沉積物與地幔橄欖巖在板片界面混合形成混雜巖，并以底辟形式上升進(jìn)入地幔楔；（2）當(dāng)板片俯沖至弧下深度時(shí)，蝕變洋殼（AOC）脫水釋放流體向上交代混雜巖源區(qū)，并導(dǎo)致其熔融形成弧巖漿（圖2）。
圖2.西太平洋伊豆弧成因模式圖
通過(guò)統(tǒng)計(jì)全球冷俯沖帶弧巖漿數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，湯加-克馬德克弧等其他冷俯沖帶島弧的數(shù)據(jù)也可以利用該過(guò)程來(lái)解釋?zhuān)癸@了所提出模型的適用性。
該研究提出混雜巖底辟與板片流體交代的共同作用促成了弧巖漿形成的新觀(guān)點(diǎn)，建立了一個(gè)更符合觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的兩階段弧巖漿成因模型。混雜巖作為揮發(fā)份（水、碳等）的潛在重要儲(chǔ)庫(kù)，其與板片流體的共同作用，將對(duì)準(zhǔn)確限定俯沖帶揮發(fā)份循環(huán)這一難題提出新的挑戰(zhàn)。
論文第一作者為中國(guó)科大特任副研究員張偉，通訊作者為黃方教授和陳伊翔教授。合作者包括中國(guó)科大特任副研究員姜鼎盛、英國(guó)南安普頓大學(xué)Rex N. Taylor教授。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金及教育部基礎(chǔ)與交叉學(xué)科突破計(jì)劃資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69726-0
(地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部)
