俯冲带流体交代混杂岩熔融对弧岩浆成因的制约：来自伊豆弧钡同位素的证据

《Nature Communications》：Arc magma formation through the fluid-fluxed mélange melting in subduction zones

俯冲带物质如何运移至上覆地幔并影响弧岩浆形成是关键科学问题。本研究针对经典冷板片伊豆弧，通过测定其熔岩的钡同位素（δ138/134Ba），结合Sr-Nd同位素和Ba/Th比值变化，揭示了板片流体（而非熔体）是弧岩浆高Ba/Th特征的来源。定量模拟表明，混杂岩底劈体熔融与板片流体的多阶段贡献共同解释了冷弧区岩浆的Ba-Sr-Nd同位素特征。该成果发表于《自然-通讯》，阐明了板片流体与混杂岩熔体在弧岩浆形成中的联合作用机制。

　　

在全球板块构造的宏大图景中，俯冲带是地球上最活跃的地质边界之一，也是连接地球表层与深部物质循环的关键纽带。当海洋板块俯冲至地幔深处，其携带的水分、沉积物以及洋壳物质会发生一系列复杂的脱水、熔融和交代反应。这些从俯冲板片释放出的“馈赠”——无论是富含挥发分的流体，还是已经部分熔融形成的熔体，抑或是物理混合的岩石团块（即混杂岩）——会向上迁移进入上覆的地幔楔（mantle wedge）。正是这些物质的加入，改变了地幔的物理化学性质，促使其发生部分熔融，最终在距离海沟数百公里的火山弧（volcanic arc）上喷发出壮观的弧岩浆。这个过程深刻影响着地球的演化、元素循环乃至大陆地壳的生长。

然而，科学界对于究竟是哪种“馈赠”在弧岩浆形成中扮演了主导角色，长期以来存在着激烈的争论。板片释放的含水流体（aqueous fluids）？还是硅酸盐熔体（hydrous melts）？亦或是物理上侵的混杂岩（mélange diapirs）？争论的根源在于，这些不同的物质载体往往具有相似的地球化学信号，科学家们一直缺乏能够清晰区分它们的、如同“指纹”一样确凿的证据。尤其是在被称为“冷俯冲带”的区域，板片温度较低，熔融不易发生，流体活动被认为更为关键，但其具体的贡献方式和物质来源的细节仍不清晰。解开这个谜团，对于精确理解地球深部物质循环和岩浆成因机制至关重要。

为了破解这一难题，研究人员将目光投向了一个研究俯冲带过程的经典“天然实验室”——位于西太平洋的伊豆弧（Izu arc）。伊豆弧是一个典型的冷板片俯冲系统，是探究流体作用机制的理想场所。本研究另辟蹊径，选择了一个相对新颖的地球化学工具——钡同位素（Ba isotopes）。钡（Ba）是一种对流体活动高度敏感的元素，在板片脱水过程中会优先进入流体相。因此，岩浆中的钡同位素组成（通常用δ^138/134Ba表示）有望成为一个强大的示踪剂，用来追踪板片流体的来源和贡献。

研究人员系统测定了伊豆弧一系列火山熔岩的钡同位素组成。他们发现了一个非常有趣的现象：δ^138/134Ba的值表现出明显的“穿弧变化”，即随着与海沟距离的增加（对应着板片俯冲深度的增加），δ^138/134Ba值系统地降低。更重要的是，δ^138/134Ba的值与传统上用来示踪地幔与沉积物来源的锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）和钕同位素（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）都呈现出显著的正相关性。这一协同变化的模式强烈暗示，控制这些同位素变化的背后，存在着一个共同的、与深度相关的物质贡献过程。

进一步的分析聚焦于另一个关键参数：Ba/Th比值。钍（Th）是一个在流体中极不活动的元素，而钡则易被流体带走。因此，高的Ba/Th比值通常被认为是板片流体加入的典型标志。在伊豆弧以及全球其他许多弧岩浆中，都普遍观察到高的Ba/Th比值。传统观点对此有两种解释：一是直接来源于板片流体；二是来源于板片熔体。本研究通过结合钡同位素数据，有力地支持了前一种观点。因为如果高Ba/Th源于熔体，那么随着熔体贡献比例的变化，Ba/Th比值和δ^138/134Ba之间的变化趋势应该与观测到的穿弧变化模式不符。观测数据与板片流体贡献模型的完美匹配，为“板片流体是高Ba/Th比值主要来源”这一论断提供了新的、独立的同位素证据。

那么，如何用一个统一的模型来解释伊豆弧岩浆中观察到的Ba、Sr、Nd多种同位素体系的协同变化呢？研究人员进行了精密的定量混合模拟。他们发现，单一的端元混合模型无法完美拟合数据。一个更为合理的模型涉及了连续的两个阶段：首先，由俯冲沉积物和蚀变洋壳物理混合形成的混杂岩，在板片顶部发生低程度部分熔融，其熔体（或整个底劈体）上浮并交代地幔楔，这主要贡献了放射成因的Sr同位素（较高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）特征。随后，在更深的位置，俯冲板片持续脱水，释放出富含钡和大离子亲石元素（LILE）的流体，这些流体进一步交代已经被混杂岩物质改造过的地幔楔，最终引发了地幔的部分熔融，形成了我们现在看到的弧岩浆。这个“混杂岩交代先行，板片流体贡献随后”的两阶段模型，为冷俯冲带弧岩浆复杂的同位素特征提供了一个连贯且自洽的解释框架。

主要技术方法概述

本研究的关键技术手段包括：1. 样品采集与地球化学筛选：研究对象为典型的冷俯冲带——西太平洋伊豆弧的火山熔岩样品。2. 高精度同位素分析：采用多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）精确测定样品的钡同位素组成（δ^138/134Ba）。3. 配套元素与同位素分析：同时获得样品的主微量元素含量（如Ba, Th）以及Sr (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)、Nd (¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd) 同位素组成，用于综合对比。4. 地球化学模拟：基于获得的数据，运用定量混合模型，模拟板片流体、熔体及混杂岩等不同端元物质对地幔源区的贡献比例和过程。

研究结果

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  伊豆弧熔岩的钡同位素特征：研究发现，伊豆弧熔岩的δ^138/134Ba值变化范围有限，但显示出清晰的穿弧降低趋势，并与⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd呈正相关。这表明俯冲物质的贡献是控制这些同位素变化的主要因素，且该贡献过程与俯冲深度密切相关。
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  高Ba/Th比值的流体成因：通过分析δ^138/134Ba与Ba/Th比值之间的协变关系，并结合全球弧岩浆数据，研究证实伊豆弧及其他弧岩浆中的高Ba/Th特征主要来源于板片衍生的流体，而非熔体。这一结论澄清了关于弧岩浆富集大离子亲石元素成因的长期争论。
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  两阶段混合模型解释同位素特征：仅凭流体或熔体等单一端元贡献无法解释观察到的Ba-Sr-Nd同位素系统变化。定量模拟揭示，最佳的解释模型是混杂岩（低¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd，高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）先对地幔楔进行交代，随后板片流体（高Ba，高δ^138/134Ba）进一步加入并引发熔融。这个连续的两阶段过程成功再现了实际观测到的数据趋势。

结论与意义

本研究通过对伊豆弧熔岩进行高精度的钡同位素分析，结合传统的Sr-Nd同位素和微量元素示踪，取得了对冷俯冲带弧岩浆成因机制的新认识。主要结论是：板片释放的含水流体是导致弧岩浆具有高Ba/Th比值特征的根本原因，而钡同位素是区分流体与熔体贡献的有效新指标。更重要的是，研究提出了一个两步走的成因模型：首先由俯冲带形成的混杂岩底劈体交代地幔楔，奠定源区的Sr-Nd同位素基础；随后，板片脱水产生的流体加入并最终触发熔融，决定了岩浆的Ba同位素和微量元素特征。这项工作不仅揭示了钡同位素在俯冲带研究中的巨大潜力，更重要的是，它阐明了板片流体和混杂岩熔体在弧岩浆形成过程中并非互斥，而是扮演了协同、分阶段的角色。这一认识对于更全面、定量地理解俯冲带物质通量、地幔不均一性以及大陆地壳的生成过程具有重要的理论意义。该成果以题为“Arc magma formation through the fluid-fluxed mélange melting in subduction zones”发表于《自然-通讯》期刊。