近日，中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李三忠教授团队联合国内外学者在俯冲带裂谷初始演化阶段地幔源区组成研究方面取得重要进展，研究成果以“A HIMU-like component in Mariana Convergent Margin magma sources during initial arc rifting revealed by melt inclusions”（熔体包裹体揭示马里亚纳汇聚板块边缘初始裂谷阶段HIMU型组分的存在）为题，在国际知名学术期刊Nature Communications（《自然·通讯》）上发表。
俯冲带是地球上重要的物质循环场所，成熟岛弧和新生弧后盆地的火山岩通常用来研究俯冲物质对地幔源区组成的贡献，但是俯冲带岛弧裂谷初始阶段的地幔源区受俯冲物质的影响程度还不明确。马里亚纳岛弧最北端目前正处于岛弧裂谷向弧后扩张的演化阶段，是研究岛弧裂谷初期地幔源区组成的理想区域（图1）。幔源岩浆从地幔上升到地表的过程中难免会受到后期作用（如分离结晶、岩浆混合、晚期蚀变等）的影响，难以精确刻画地幔源区岩浆组成信息。相比而言，熔体包裹体是矿物生长时被捕获的熔体，由于寄主矿物的保护而较少受到外部因素的影响，通常早期结晶矿物（如橄榄石）内的熔体包裹体保留了相对原始的岩浆成分和地幔源区信息，是研究地幔源区组成的重要载体。
图1 马里亚纳俯冲带地质图
本研究对马里亚纳岛弧最北端初始裂谷期（ 24°N ）玄武岩橄榄石内熔体包裹体进行了主微量元素及 Pb 同位素分析，并与马里亚纳海槽和岛弧玄武岩内熔体包裹体进行了对比。研究结果发现，马里亚纳海槽玄武岩内熔体包裹体具有与 E-MORB 相似的微量元素和 Pb 同位素组成。相比于海槽和岛弧玄武岩内熔体包裹体，初始裂谷期熔体包裹体具有较高的 K 含量和放射性 Pb 同位素组成，接近 HIMU 地幔端员（图2），这表明初始裂谷期地幔源区具有 HIMU 物质的存在。 HIMU （ high-μ ，高 U/Pb 比值， 206 Pb/ 204 Pb>20.5 ）地幔与亏损地幔（ DM ）、富集地幔1（ EM 1 ）和富集地幔2（ EM 2 ）为地球深部地幔的四种主要类型。 HIMU 地幔通常与地幔柱活动及深部物质循环有关，然而地球物理资料显示研究区并没有典型 地幔柱的存在，因此这种组分最可能来自于 HIMU 型俯冲物质的深部循环 。
图2 马里亚纳俯冲带火山岩熔体包裹体Pb同位素及微量元素模拟图
马里亚纳海沟外侧太平洋板块之上存在大量海山，部分海山具有 HIMU 型的地球化学组成特征（如 Wake 海山链、 Magellan 海山链）（图1）。这些 HIMU 型海山随太平洋板块俯冲至深部地幔，与蚀变洋壳、俯冲沉积物等以混杂岩的形式循环并储存在上覆板片内，之后，随着裂谷的打开 HIMU 组分被活化，进而进入裂谷地幔源区（图3）。由于太平洋板片上大量 HIMU 型海山的俯冲（图1）， HIMU 组分可能存在于马里亚纳俯冲带的大部分区域，但是显著的 HIMU 组分信号只出现在裂谷演化的初始阶段，这可能是由于裂谷期地幔部分熔融程度低，保留了 HIMU 组分信号，而这种组分在弧后区域被消耗或被弧后 MORB 型地幔流掩盖（图3）。熔体包裹体的研究可以为我们了解俯冲带物质循环提供更为全面的信息，是还原地幔源区物质组成的有力工具。
图3 马里亚纳俯冲带裂谷初始阶段及成熟弧后阶段物质循环模式图
一排左起：李三忠、李晓辉，二排左起：来志庆、索艳慧、陈龙
本项研究工作由中国海洋大学、日本地质调查局、德克萨斯大学达拉斯分校、都柏林大学、桂林理工大学等单位合作完成。研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、崂山实验室科技创新项目、中央高校基础研究经费等项目资助。中国海洋大学李三忠教授为论文通讯作者，李晓辉副教授为论文第一作者，索艳慧教授、陈龙副教授、来志庆高级工程师等共同参与，中国海洋大学为第一完成单位和通讯作者单位。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48308-y
信息来源：中国海洋大学 海底科学与探测技术教育部重点实验室 作者：李晓辉。
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