新聞動(dòng)態(tài)楊春、李洪顏等-EPSL：鋅同位素研究揭示地幔楔虧損程度對(duì)洋內(nèi)島弧巖漿組成具有重要控制作用
?俯沖帶是地球淺表與深部圈層間物質(zhì)循環(huán)的紐帶。長(zhǎng)期以來(lái)，俯沖板片物質(zhì)及其釋放的熔/流體和弧前地幔楔蛇紋巖及其流體等外來(lái)組分輸入被認(rèn)為是控制島弧巖漿地球化學(xué)組成的主導(dǎo)因素?；∠碌蒯Ｐū旧砦镔|(zhì)是島弧巖漿的主要源區(qū)組成，其本身的不均一性對(duì)島弧巖漿形成究竟發(fā)揮何種作用，始終缺乏有效的定量約束。西太平洋俯沖帶發(fā)育有馬里亞納弧、伊豆弧和千島弧等一系列典型洋內(nèi)島弧體系，是研究俯沖帶巖漿成因與地幔楔演化的天然實(shí)驗(yàn)室。同一島弧內(nèi)部的火山前緣（Arc-front）與后弧火山（Rear-arc）之間，巖漿巖地球化學(xué)組成展現(xiàn)出顯著差異，這些差異究竟反映了俯沖板片輸入的變化，還是記錄了地幔楔本身虧損程度的差異，仍是國(guó)際地學(xué)界關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題。
圖1. 西太平洋洋內(nèi)島弧火山前緣、后弧火山及弧后盆地火山巖鋅同位素組成
?針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所助理研究員楊春與李洪顏研究員、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）劉盛遨教授，以及日本JAMESTEC的Y. Tamura教授等，開(kāi)展了西太平洋俯沖帶火山巖鋅同位素的系統(tǒng)研究。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)來(lái)自馬里亞納弧、伊豆弧和千島弧的62件火山前緣和后弧火山巖樣品進(jìn)行了高精度Zn同位素分析，并結(jié)合主-微量元素、稀土元素配分特征以及Mo同位素等多指標(biāo)約束，探討了俯沖組分輸入與地幔楔虧損程度對(duì)洋內(nèi)島弧巖漿組成的控制作用（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，在校正早期橄欖石和單斜輝石分離結(jié)晶影響后，西太平洋俯沖帶火山前緣原始玄武巖普遍具有較低的δ66Zn值（最低至0.17±0.04‰），其中馬里亞納火山前緣巖漿最低；相較之下，后弧火山玄武巖的δ66Zn值系統(tǒng)性偏高，并整體接近弧后盆地玄武巖和正常洋中脊玄武巖（0.28±0.05‰）。進(jìn)一步對(duì)比表明，西太平洋洋內(nèi)島弧火山巖的Zn同位素與Ta/Zn、Nb/Yb等反映源區(qū)虧損程度/部分熔融程度的指標(biāo)顯著相關(guān)（圖2），而與Ba/La等常用板片流體/熔體示蹤指標(biāo)缺乏系統(tǒng)相關(guān)性（圖2）。這表明，西太平洋島弧巖漿的Zn同位素組成并未受到俯沖板片熔/流體輸入的顯著控制，而主要受制于弧下地幔楔自身的貧瘠狀態(tài)。
圖2. 西太平洋弧巖漿的Ta/Yb-Ta/Zn-δ66Zn圖解
?在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步闡明了地幔逐步虧損情況下，部分熔融過(guò)程中Zn同位素的分餾機(jī)制。研究指出，隨著地幔源區(qū)經(jīng)歷熔體抽取，殘余地幔由相對(duì)飽滿的尖晶石二輝橄欖巖逐漸向更難熔的方輝橄欖巖演化，殘余尖晶石也發(fā)生由富Al向富Cr的成分轉(zhuǎn)變。由于富Cr尖晶石的Zn同位素組成偏輕（Yang?et?al., 2021），這種殘余相礦物組成變化會(huì)引發(fā)殘余相之間Zn同位素重新平衡，進(jìn)而降低熔體-殘余體之間的Zn同位素分餾系數(shù)。
圖3. 鋅同位素示蹤西太平洋俯沖帶溝-弧-盆體系地幔楔的虧損程度差異
?基于該認(rèn)識(shí)，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)Zn同位素與高場(chǎng)強(qiáng)元素的關(guān)系計(jì)算了不同島弧位置火山的源區(qū)虧損程度和部分熔融程度，其結(jié)果顯示：馬里亞納火山前緣巖漿來(lái)源于已經(jīng)歷約9%—12%先期熔體抽取的虧損地幔源區(qū)，隨后又發(fā)生約5%—10%的部分熔融；而后弧火山巖漿則來(lái)源于僅經(jīng)歷約3%—9%的地幔預(yù)先虧損，并發(fā)生約5%的部分熔融。該結(jié)果表明，在成熟的洋內(nèi)弧俯沖帶，火山前緣下方地幔楔并非簡(jiǎn)單的受板片物質(zhì)交代的均一地幔，而是經(jīng)歷過(guò)多階段熔體抽取、整體更為難熔的、不均一的地幔（圖3）。
?結(jié)合馬里亞納弧—弧后盆地的構(gòu)造背景，研究進(jìn)一步提出，在成熟洋內(nèi)島弧體系中，弧后擴(kuò)張作用是導(dǎo)致火山前緣下方地幔楔顯著虧損的重要機(jī)制。隨著弧后擴(kuò)張發(fā)生減壓熔融，這些已經(jīng)貧化的殘余地幔在地幔角流作用下向火山前緣輸送，并在俯沖板片流體輸入條件下觸發(fā)再次熔融，最終形成具有低δ66Zn特征的火山前緣巖漿。本研究從Zn同位素新視角出發(fā)，為地幔楔虧損程度控制島弧火山巖地球化學(xué)組成提供了直接證據(jù)，強(qiáng)調(diào)在解釋?shí)u弧巖漿組成時(shí)，需要同時(shí)考慮俯沖板片輸入與地幔楔不均一性的共同作用。該成果于近日發(fā)表于國(guó)際地學(xué)權(quán)威期刊《Earth and Planetary Science Letters》。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42425304、42403004）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFF0801002）、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（GZB20230763、2023M743505）等資助。
?文章信息：Yang, C.?(楊春), Li, H.-Y.*?(李洪顏), Liu, S.-A.?(劉盛遨), Tamura, Y., Smirnov, S., Ryan, J.G., Xu, Y.-G.?(徐義剛), 2026. Control of mantle infertility on cross-arc geochemical diversity revealed by zinc isotope systematics. Earth and Planetary Science Letters 684, 120011. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120011
