海洋所揭示俯冲蛇纹岩对琉球俯冲带南部岩浆活动影响

  蛇纹岩富含水、卤素、稀有气体及多种微量元素,是俯冲带流体的重要来源,在全球地球化学循环中扮演着极为重要的角色。因此,厘清俯冲蛇纹岩对弧岩浆的物质贡献,对于理解俯冲带物质迁移与循环具有重要的意义。 

  硼(B)同位素是俯冲蛇纹岩的一种有效示踪剂,中科院海洋地质与环境重点实验室曾志刚研究团队与美国伍兹霍尔海洋研究所Glenn Gaetani研究团队合作,采用离子探针分析了冲绳海槽(琉球俯冲带)南部八重山地堑、与那国地堑(弧后扩张中心)及伊良部海丘(现代岛弧前缘)(位置见图1)玄武安山岩的B同位素组成和卤素(FCl)含量,同时获得了样品的微量元素和Sr-Nd-Pb同位素组成。 

  结果显示,从弧后扩张中心到岛弧前缘,B同位素逐渐变重,87Sr/86Sr逐渐富集,Cl/KF/Nd及流体活动性元素与不活动元素比值逐渐升高,指示俯冲流体输入的增多。其中,伊良部海丘火山岩具有最重的B同位素组成(δ11B= +6.6 ± 1.5‰),只能由板片蛇纹岩流体加入来解释,说明蛇纹岩是该俯冲带流体的重要供给源。此外,本研究样品的Cl/KF/Nd均与δ11B呈现良好的正相关关系,全球岛弧火山岩也呈现一致的趋势(图2),说明俯冲蛇纹岩对弧岩浆的卤素通量具有重要的贡献。 

 

1 冲绳海槽南部地形图(YaG:八重山地堑;YoG:与那国地堑;IrK:伊良部海丘;SRVF:琉球南部火山前缘)

2 Cl/KF/Ndδ11B相关图解

  此外,伊良部海丘火山岩的Sr同位素相比于其Nd同位素更加富集,在Sr-Nd同位素相关图解上表现为数据点落在地幔与沉积物混合线的右侧(图3)。这种Sr-Nd同位素解耦的特征在现代岛弧火山岩中很常见,比如马里亚纳岛弧、汤加岛弧、南桑威奇岛弧等(图4)。研究人员发现具有Sr-Nd同位素解耦特征的弧火山岩通常具有较重的B同位素组成,而它们所对应的弧后盆地样品,Sr-Nd同位素无异常,B同位素也较轻。然而混合模拟计算显示,俯冲蛇纹岩的加入无法造成弧火山岩Sr同位素的异常富集,但蚀变洋壳可以。这暗示俯冲蛇纹岩和蚀变洋壳流体可能通常一起对弧岩浆的形成产生影响。该研究支持地幔楔流体通道理论,即俯冲蛇纹岩流体并没有广泛交代地幔楔,而是经流体通道穿过地幔,到达弧岩浆源区。 

3 冲绳海槽南部火山岩Sr-Nd同位素相关图解

4 洋内弧-弧后盆地火山岩Sr-Nd同位素相关图解

  上述研究成果发表在国际地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid EarthNature Index刊物)上,论文第一作者为中国科学院海洋研究所张玉祥博士。本研究得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项、博士后基金、山东省自然科学基金、中国科学院国际合作项目、国家留学基金委等基金项目联合支持。 

  论文信息: 

  Zhang, Y., Gaetani, G., Zeng, Z., Monteleone, B., Yin, X., Wang, X., & Chen, S. (2021). Halogen (F, Cl) concentrations and Sr-Nd-Pb-B isotopes of the basaltic andesites from the southern Okinawa Trough: Implications for the recycling of subducted serpentinites. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2021JB021709. https://doi.org/10.1029/2021JB021709 


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