中国科大揭示蛇纹岩混杂岩熔融形成岛弧火山岩这一新机制

近日，我校陈伊翔教授研究组在俯冲带火山岩成因方面取得新进展。他们通过对全球典型的岛弧火山岩及弧前蛇纹岩的镁、硼同位素组成分析，揭示了岛弧火山岩由蛇纹岩为主的混杂岩熔融形成这一新机制，极大地深化了对俯冲带物质循环过程和机制的认识，相关成果发表于《National Science Review》上。

板块俯冲带是连接地球表生圈层与深部圈层的关键纽带，在地球圈层物质循环中起着至关重要的作用。大洋俯冲带中广泛出现弧火山岩，目前关于它的形成过程和机制存在巨大争议。传统观点认为，弧火山岩是俯冲大洋板片释放熔流体交代地幔而后地幔熔融形成。然而，这种模型很难解释这些岩石的Sr-Nd等同位素组成的协同变化特征。基于此，前人提出了以沉积物为主的混杂岩熔融模型。由于沉积物及其衍生熔流体的固有地球化学组成，这种组分加入很难解释岛弧火山岩的重Mg同位素组成等地球化学特征。

为了深入研究制约弧火山岩的形成过程与机制这一重要问题，我校地球和空间科学学院郑永飞院士团队陈伊翔教授研究组选取全球典型的岛弧—南桑威奇岛弧（位于南大西洋，南美洲与南极洲之间）的火山岩样品，创造性地利用Mg-B同位素进行联合示踪，充分发挥Mg、B同位素的各自示踪优势，揭示了以蛇纹岩为主的混杂岩熔融形成岛弧火山岩这一新机制。

南桑威奇岛弧是一个极为简单的岛弧系统，它非常年轻、构造简单，远离大陆，是研究岛弧地幔源区特征和火山岩成因的理想对象。陈伊翔教授研究组对该火山岩及弧前蛇纹岩的研究发现，它们均具有极高的δ²⁶Mg值和δ¹¹B值。考虑到地幔和板片来源熔流体的Mg、B含量及同位素组成，岛弧火山岩的这种特征不能用传统的板片交代模型解释。

基于前期对俯冲带蛇纹岩的研究积累(Chenet al., 2016-EPSL, 2020-GCA; Chen, 2024-SCES; Xiong et al., 2023-JGR; Zhao et al., 2023-GCA; Dai et al., 2024-GCA)，该研究提出蛇纹岩为主的混杂岩底辟上升而后在浅部地幔楔中熔融可以很好地解释该岛弧火山岩的重Mg-B同位素组成特征（图1）。这一模型要求底辟体以富重Mg同位素组成的蛇纹岩为主体，并含有少量沉积物或蚀变洋壳组分（图2）。模拟计算表明，该模型不仅可以吻合SSI岩浆的微量元素及Sr-Nd同位素特征，还可以同时解释其系统偏重的Mg-B同位素组成（图1）。

图1、弧岩浆成因的Mg-B同位素组成的两端元混合模拟。（a-b）传统模型：亏损地幔与蛇纹岩衍生流体或板片地壳（沉积物+蚀变洋壳）衍生流体的混合；（c-d）新模型—蛇纹岩为主的混杂岩模型：亏损地幔与蛇纹岩为主的混杂岩+俯冲板片来源物质的混合。

图2、蛇纹岩混杂岩底辟熔融形成岛弧火山岩示意图

该研究表明，联合利用Mg-B同位素不仅可以有效识别岛弧地幔源区中的再循环组分，而且为理解俯冲物质再循环机制提供了新认识。尽管对于岛弧岩浆岩Mg-B同位素的联合研究仍然极其缺乏，已有数据表明在其它岛弧体系，如小安的列斯和马里亚纳岛弧，其火山岩也具有重Mg-B同位素组成。这表明蛇纹岩为主的混杂岩底辟熔融在全球弧火山岩形成中可能具有更广泛的意义，这需要未来更多的工作进行验证。此外，如果这种过程在全球弧火山岩形成中起了重要作用，我们对俯冲带挥发份循环和壳幔相互作用需要进行重新审视。

这项成果近期发表在《National Science Review》上。第一作者为中国科大博士生乔新月、熊家伟（现为崂山实验室博士后），通讯作者为中国科大陈伊翔教授，合作者包括中国科大黄方教授、赵子福教授，英国爱丁堡大学JanC.M. De Hoog研究员和卡迪夫大学Julian Pearce教授。该研究受到国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae363

（地球和空间科学学院、科研部）

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