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地球板块塌陷
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俯冲板块的脱水/熔融对地球层圈间的物质与能量循环至关重要，其机制、过程与控制因素是固体地球科学界关注的焦点。俯冲板块物质（包括沉积物、玄武岩和辉长岩）、地幔楔蛇纹岩和俯冲板块岩石圈地幔蛇纹岩（简称板块蛇纹岩）在板块脱水/熔融过程中的作用存在争议。近日，中国科学院广州地球化学研究所研究员李洪颜、李杰、徐义刚与博士生赵瑞鹏，以及日本国立海洋研究开发机构（JAMSTEC）研究员Yoshihiko Tamura、美国德克萨斯大学达拉斯分校教授Robert J. Stern、美国南弗洛里达大学教授Jeffrey G. Ryan、加拿大皇后大学教授Christopher Spencer合作，剖析了西太平洋马里亚纳岛弧弧前（forearc）蛇纹岩泥火山、前弧（volcanic front）和后弧（rear arc）火山岩（图1）的Mo同位素，结合Sr-Nd-Pb-Hf放射成因同位素和主-微量元素，识别出不同端元组分的流体和熔体特征，区分出地幔楔和板块蛇纹岩在板块脱水/熔融过程中的作用。
钼（Mo）在板块脱水/熔融过程中表现出明显的流体活动性，类似于Cs-Pb-Ba等元素，在残留板块中Mo主要进入金红石，板块的脱水/熔融导致Mo同位素（d98/95Mo）的分馏，重Mo进入流体/熔体相，轻Mo进入金红石。Asùt Tesoru蛇纹岩泥火山相对亏损地幔具有重d98/95Mo，轻度富集Mo-Cs-Ba，表明只有形成深度>18km的地幔楔蛇纹岩，或者浅部形成的地幔楔蛇纹岩被俯冲以后受到>18km板块流体的进一步交代，才可能构成岛弧火山岩源区物质。前弧Pagan火山岩伴随对应俯冲板块深度增加d98/95Mo降低，Mo-Cs-Ba富集程度降低，Hf-Nd同位素和Hf/Nd比值同步降低，但Sr-Pb同位素无明显变化，经典的蚀变玄武岩脱水 沉积物熔融，或单纯的受温度控制的玄武岩 沉积物混合物脱水/熔融无法解释这些数据。这些数据表明前弧火山源区含有板块的流体和熔体两种组分，板块的脱水和熔融是板块蛇纹岩流体活动所致；两种组分需要一个“中转站”进行混合然后供给火山源区，并随俯冲深度增加，流体组分减少，熔体组分增加；流体早于熔体到达“中转站”，这个“中转站”可能是被俯冲刮削的地幔楔蛇纹岩。后弧火山岩总体具有较轻的Mo同位素，d98/95Mo的升高伴随Cs-Ba富集程度增加，Ce/Mo增加，Hf/Nd比值降低，Sr-Pb同位素变重，其源区组成可以用亏损地幔 板块熔体解释，相对西南Pagan低Sr-Pb同位素和更重d98/95Mo组成的特征表明板块的熔融是板块蛇纹岩流体活动所诱发（图2）。
研究表明，马里亚纳俯冲板块的脱水/熔融受控于地幔楔和板块蛇纹岩的形成-俯冲-脱水过程。浅部（< 80km）蛇纹岩可以被俯冲板块刮削进入深部俯冲隧道，同时这些蛇纹岩会进一步被俯冲板块的流体/熔体交代，俯冲板块的脱水/熔融受控于岩石圈地幔中蛇纹岩的分解。在200km以浅，俯冲隧道蛇纹岩的多期次分解诱发了前弧岩浆活动，200km以深俯冲隧道蛇纹岩消耗殆尽，板块蛇纹岩的分解诱发俯冲板块熔融，导致后弧岩浆活动（图3）。本研究发现被俯冲的弧前地幔楔蛇纹岩扮演了板块流体和熔体的“中转站”角色，俯冲板块蛇纹岩是板块脱水/熔融的“操纵者”，并表现出阶段性特征，<165km深度受控于水镁石（brucite）分解，>200km受控于叶蛇纹石（antigorite）分解，板块蛇纹岩释放的流体可以提取整个洋壳的流体活动性元素，因此板块流体/熔体的Pb-Sr同位素反映的是未蚀变辉长岩-玄武岩的特征，但因为蛇纹岩流体中含有极少量的Hf-Nd，板块熔体Hf-Nd同位素反映的是洋壳表面物质组成（约10%沉积物 90%玄武岩）。
来源：中国科学院
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