勘察加島弧巖漿巖研究進(jìn)展*

劉海洋 薛穎瑜 孫衛(wèi)東,4**

1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，深海研究中心，青島 2660712. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 2662373. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，青島 2660714. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

圖1 勘察加半島位置及火山分布(a)勘察加半島位置簡(jiǎn)圖(據(jù)Kersting and Arculus, 1995修改).三角形標(biāo)記的實(shí)線代表了海溝的位置；(b)勘察加半島不同火山密集區(qū)，從東向西分別為東部前緣火山(EVF)，中部火山(CKD)，中北部火山(NCKD)和弧后火山(SR). 虛線及標(biāo)記數(shù)字代表了貝尼奧夫帶的深度(據(jù)Gorbatov et al., 1997). 代表性火山有EVF區(qū)域：SHM-Shmidt；KOM-Komarov；KIZ-Kizimen；GAM-Gamchen；CKD區(qū)域：TOL-Tolbachik； KLU-Klyuchevskoy；NCKD區(qū)域：SHIV-Shiveluch；SR區(qū)域：ESO-Eso plateau basalts；ICH-IchinskyFig.1 Location of the Kamchatka Peninsula and the distribution of the volcanoes(a) location map showing the Kamchatka Peninsula in the northwestern Pacific (after Kersting and Arculus, 1995). A solid line with triangle decoration denotes the location of the trench; (b) simplified map showing the Quaternary volcanoes, from east to the west, Eastern Volcanic Front (EVF); Central Kamchatka Depression (CKD); North Central Kamchatka Depression (NCKD); Sredinny Ridge (SR). The depth of the Benioff zone is from Gorbatov et al. (1997). Representative volcano EVF region: SHM-Shmidt; KOM-Komarov; KIZ-Kizimen; GAM-Gamchen; CKD region: TOL-Tolbachik; KLU-Klyuchevskoy; NCKD region: SHIV-Shiveluch; SR region: ESO-Eso plateau basalts; ICH-Ichinsky

板塊構(gòu)造理論提出以來(lái)，作為地球內(nèi)部-外部，物質(zhì)和能量交換的重要場(chǎng)所，俯沖帶得到了地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注。在俯沖帶，地殼(陸殼和洋殼)表面物質(zhì)發(fā)生深俯沖(Chopin, 1984; Lietal., 2000; Smith, 1984; Sunetal., 2018)，進(jìn)入深部地幔，造成地幔的化學(xué)不均一性，可以形成不同的地幔端元(Niu and O’Hara, 2003; Niuetal., 2017)；同時(shí)，俯沖板片釋放的熔/流體(Kawamotoetal., 2013, 2018; Portnyaginetal., 2007; 肖益林等, 2015)，又可以促使地幔楔發(fā)生部分熔融，進(jìn)而形成大量的島弧巖漿(Churikovaetal., 2001, 2007; Duetal., 2018, 2019; Johnetal., 2012; Mengetal., 2019)。尤其在大洋俯沖帶，島弧巖漿體系廣泛分布。由于俯沖帶俯沖條件的差異，如俯沖速度和角度，俯沖板片類型和年齡，俯沖沉積物厚度等，往往可以形成具有成因差異的島弧巖漿(Syracuseetal., 2010; 劉鑫等, 2017; 張國(guó)良等, 2017)；而且，即使在單個(gè)俯沖帶體系內(nèi)，隨著板片深度及構(gòu)造特征的變化，島弧巖漿組成和成因也存在顯著差異(Ishikawa and Tera, 1999; Ishikawaetal., 2001; Nielsen and Marschall, 2017)。因此，島弧巖漿詳細(xì)的巖石學(xué)，地球化學(xué)，地球物理等多學(xué)科的綜合研究是揭示俯沖帶俯沖參數(shù)的有效途徑。全球多個(gè)島弧體系的系統(tǒng)研究已經(jīng)廣泛開展并獲得了豐富的地質(zhì)數(shù)據(jù)，大大促進(jìn)了對(duì)俯沖帶地質(zhì)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，如勘察加島弧、日本島弧、千島島弧、馬里亞納島弧和雅浦島弧等(Churikovaetal., 2007; Ishikawa and Tera, 1999; Morigutietal., 2004; Turneretal., 1998)。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于西太平洋多個(gè)島弧體系的研究已經(jīng)較為深入(郭雨帆等, 2018; 李三忠等, 2012; 劉鑫等, 2017; 張國(guó)良等, 2017; 張正一等, 2017)，但作為該類俯沖體系的重要成員，太平洋西北部的勘察加島弧則關(guān)注相對(duì)較少。

勘察加半島處于歐亞大陸與太平洋板塊匯聚邊界的關(guān)鍵位置，構(gòu)成了西北太平洋長(zhǎng)達(dá)2000km千島-勘察加火山島鏈的北部，西臨鄂霍次克海，東鄰太平洋和白令海，是環(huán)太平洋“火鏈”的重要組成部分(圖1a)。在勘察加半島東南側(cè)，太平洋板塊攜帶帝王島鏈(65Ma)以～9cm/a的速度向下俯沖(Minster and Jordan, 1978)，導(dǎo)致勘察加半島火山作用十分發(fā)育(圖1b)，包含200多座第四紀(jì)火山，其中含有28座活火山。位于勘察加半島中北部的克柳切夫火山(Klyuchevskoy海拔為4750m)，是全球巖漿產(chǎn)率最大的火山之一(55百萬(wàn)噸/年)，其巖漿產(chǎn)率曾高達(dá)60～90百萬(wàn)噸/年(Fedotovetal., 2010)。根據(jù)火山作用與海溝的距離，從東到西可以將勘察加島弧分為3個(gè)火山密集區(qū)：(1)東部前緣火山(the Eastern Volcanic Front: EVF)；(2)中部火山(the Central Kamchatka Depression: CKD)和中北部火山(the Northern Central Kamchatka Depression: NCKD)，其中中部火山邊緣發(fā)育明顯的裂谷帶；(3)弧后火山(Sredinny Ridge: SR)。SR區(qū)域代表了死亡的中新世火山前緣，由于克羅諾基地體(Kronotsky)推覆和晚期火山活動(dòng)的噴發(fā)而運(yùn)移至現(xiàn)在弧后的位置(圖1b)。地球物理的證據(jù)表明勘察加半島地殼厚度具有一定的變化范圍，從南部到北部地殼厚度由20km增厚至42km；垂直海溝方向上(CKD區(qū)域)，從弧后至克柳切夫火山地殼厚度由30km增厚至42km(Balesta, 1991)。地震帶研究顯示從東部前緣火山到弧后，俯沖貝尼奧夫帶深度從90～110km，變化至180～200km，在SR下方達(dá)300～400km (Gorbatovetal., 1997)。由于夏威夷-帝王島鏈的俯沖促使勘察加半島在南北方向存在俯沖角度的差異，南部俯沖角度約為55°，而北部約為35°(Gorbatovetal., 1997)。

勘察加半島具有巖漿產(chǎn)率大，源區(qū)沉積物質(zhì)少，俯沖物質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單，穿弧距離長(zhǎng)(100～300km)等特點(diǎn)(Churikovaetal., 2001, 2007)，因此勘察加半島是研究俯沖板片-地幔反應(yīng)的理想地區(qū)?？辈旒訊u弧巖石巖性主要為玄武巖，玄武質(zhì)安山巖，僅在少數(shù)地區(qū)有安山巖產(chǎn)出，而在NCKD區(qū)域，則主要為安山巖(圖2)。從前緣火山到弧后，勘察加島弧巖漿地球化學(xué)特征具有系統(tǒng)性的變化(圖2、圖3和圖4)。如K2O逐漸升高，EVF為低鉀，CKD為中-高鉀，而SR則主要為高鉀(圖4a)；微量元素及同位素也表現(xiàn)為系統(tǒng)性的穿弧變化(圖4b, c)。另外，在勘察加半島EVF和SR區(qū)域，發(fā)育大量塌陷的破火山口，在這些破火山口的邊緣發(fā)育有玄武質(zhì)巖漿和地殼源區(qū)熔融形成硅質(zhì)巖漿(熔結(jié)凝灰?guī)r，年齡集中于更新世)，其成分也具有穿弧系統(tǒng)性變化的特征，如K2O從弧前到弧后逐漸升高(Bindemanetal., 2010)。系統(tǒng)性的變化特征可能反應(yīng)島弧巖漿巖石成因的差異，該方向上的研究在過(guò)去十幾年里有了較大的進(jìn)展，本文對(duì)該進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的討論和總結(jié)，希望可以促進(jìn)對(duì)勘察加島弧巖石成因的理解，并加深和拓寬對(duì)俯沖帶巖漿活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

圖2 勘察加半島代表性島弧巖石全巖(Na2O+K2O)-SiO2圖解Picro-basalt-苦橄質(zhì)玄武巖；Basalt-玄武巖；Basaltic andesite-玄武安山巖；Andesite-安山巖；Subalkaline dacite-亞堿性英安巖；Rhyolite-流紋巖；Trachybasalt-粗玄巖；Basaltic-trachyandesite-玄武粗安巖；Trachyandesite-粗安巖；Trachyte or Trachydacite-粗面巖或粗面英安巖；Tephrite or Basanite-堿玄巖或碧玄巖；Phonotephrite-響巖質(zhì)堿玄巖；Tephriphonolite-堿玄質(zhì)響巖；Phonolite-響巖. 數(shù)據(jù)引自Churikova et al. (2001, 2007, 2015a, b); Turner et al. (2013); Bergal-Kuvikas et al. (2017)Fig.2 Na2O+K2O vs. SiO2 diagram of representative arc lavas from the Kamchatka ArcData from Churikova et al. (2001, 2007, 2015a, b); Turner et al. (2013); Bergal-Kuvikas et al. (2017)

1 地幔源區(qū)特征

俯沖板片之上的地幔楔是島弧巖漿的主要源區(qū)，因此島弧巖漿巖石成因的研究需要首先考察地幔源區(qū)特征。俯沖板片分異流體的交代是地幔楔熔融的主要誘因，而流體幾乎不含大部分不相容元素(如高場(chǎng)強(qiáng)元素HFSE和重稀土HREE)，而且在中-大比例部分熔融過(guò)程中，不相容元素不發(fā)生變化，因此不相容元素的特征可以用來(lái)反映源區(qū)性質(zhì)(Pearce and Parkinson, 1993)。勘察加EVF、CKD和SR區(qū)域的巖漿具有典型島弧巖漿的特征，即富集大離子親石元素(LILE)和輕稀土元素(LREE)，而虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)，反應(yīng)了流體交代的過(guò)程(圖3)。從弧前到弧后，沿著穿弧剖面，大離子親石元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素濃度逐漸升高(圖3)，暗示其存在不同的地幔源區(qū)和熔融比例(Churikovaetal., 2001)。

Pearce and Parkinson (1993)根據(jù)元素不相容性，將元素分為極不相容元素(very highly incompatible, VHI)，高度不相容元素(highly incompatible, HI)和中度不相容元素(moderately incompatible, MI)，并將不同類別的元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，其配分形式，可以反映源區(qū)的熔融程度和地幔性質(zhì)：若VHI=HI=MI，則表明源區(qū)熔融程度較大；若VHI>HI>MI，則表明熔融程度較低?？辈旒訊u弧EVF和CKD巖漿不相容元素配分形式表現(xiàn)為VHI>HI=MI，表明EVF和CKD區(qū)域地幔源區(qū)部分熔融程度較大，而CKD區(qū)域，部分高K巖石不相容元素配分形式表現(xiàn)為VHI>HI>MI，表明CKD高K巖漿地幔源區(qū)經(jīng)歷了中等程度部分熔融，而SR區(qū)域巖石具有VHI>>HI>/=MI的不相容元素分配特征，表明地幔源區(qū)經(jīng)歷了低-中等程度的部分熔融，而且SR可能存在富集的地幔源區(qū)(Churikovaetal., 2001)。

圖3 勘察加半島代表性島弧巖石N-MORB標(biāo)準(zhǔn)化微量元素曲線(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)

數(shù)據(jù)引自Churikovaetal. (2001, 2007)

Fig.3 N-MORB-normalized trace element distribution diagrams of representative arc lavas from the Kamchatka Arc (normalization values after Sun and McDonough, 1989)

Data from Churikovaetal. (2001, 2007)

圖4 勘察加半島代表性島弧巖石樣品地球化學(xué)特征(a)勘察加島弧SiO2-K2O圖解，前緣火山到弧后火山K2O逐漸升高. EVF主要為低-中鉀，CKD主要為中-高鉀，SR為中-高鉀；(b)勘察加島弧Th/Yb-Ta/Yb相關(guān)性圖解，EVF和CKD巖漿具有低的Th/Yb和Ta/Yb比值，而SR則較高，表明存在不同的地幔源區(qū)；(c)勘察加島弧Hf/Sm-Th/Nb相關(guān)性圖解，其中EVF和CKD區(qū)域具有類似的Hf/Sm和Th/Nb比值，而弧后區(qū)域SR則具有低Th/Nb和Hf/Sm比值. 初始地幔，虧損地幔和洋中脊玄武巖的Th/Nb和Hf/Sm比值分別來(lái)自McDonough and Sun (1995), Salters and Stracke (2004) 和 Sun and McDonough (1989)；(d)勘察加島弧巖漿143Nd/144Nd-87Sr/86Sr圖解，SR區(qū)域巖漿具有相對(duì)于虧損地幔較低的143Nd/144Nd比值和較高的87Sr/86Sr比值，表明可能存在富集地幔，CKD區(qū)域具有類似于虧損地幔的143Nd/144Nd比值，但明顯較高的87Sr/86Sr，可能指示了巖漿源區(qū)有板片流體的加入. PM-初始地幔；DM-虧損地幔；N-MORB-N類洋中脊玄武巖.數(shù)據(jù)引自Churikova et al. (2001, 2007, 2015a, b); Turner et al. (2013); Bergal-Kuvikas et al. (2017). 圖中的區(qū)域來(lái)自Churikova et al. (2001)Fig.4 Geochemical compositions of representative arc lavas from the Kamchatka Arc(a) SiO2 vs. K2O diagram. From EVF to SR, K2O content increases gradually from low K to high K; (b) Th/Yb vs. Ta/Yb diagram. EVF and CKD show lower Th/Yb and Ta/Yb ratios than SR, which demonstrate that mantle source below SR is significantly enriched compared to EVF and CKD; (c) Hf/Sm vs. Th/Nb diagram, EVF show similar ratios to CKD, but SR display slightly lower Th/Nb ratios than both EVF and CKD. The ratios of PM, DM and N-MORB are from McDonough and Sun (1995), Salters and Stracke (2004) and Sun and McDonough (1989), respectively; (d) 143Nd /144Nd vs. 87Sr/86Sr diagram. Compared to the depleted mantle, SR show lower 143Nd/144Nd ratio and higher 87Sr/86Sr ratio, which suggest that there is enriched mantle below SR, while CKD show 143Nd/144Nd ratio similar to the N-MORB but higher 87Sr/86Sr ratio, which demonstrate that mantle source below CKD is modified by the slab-derived fluid. PM-Primitive mantle; DM-Depleted mantle; N-MORB-N-type middle ocean ridge basalts. Data from Churikova et al. (2001, 2007, 2015a, b); Turner et al. (2013); Bergal-Kuvikas et al. (2017). The regions are from Churikova et al. (2001)

勘察加島弧巖漿不同火山密集區(qū)，Nb/Yb比值具有系統(tǒng)差別，EVF和CKD區(qū)域Nb/Yb比值與MORB一致，表明EVF和CKD來(lái)源于虧損地幔，而SR區(qū)域巖漿具有高Nb/Yb比值的特征，暗示其來(lái)源于富集地幔(Churikovaetal., 2001)。另外，根據(jù)Th/Yb和Ta/Yb相關(guān)性圖解(圖4b)，Churikovaetal. (2001)認(rèn)為SR區(qū)域巖漿具有較為富集的地幔源區(qū)，而EVF和CKD區(qū)域地幔源區(qū)則較為虧損。然而，無(wú)論是Th-Yb元素對(duì)，還是Ta-Yb元素對(duì)，在地幔部分熔融過(guò)程中的分配系數(shù)都差異明顯，因此這兩對(duì)元素比值不僅受控于源區(qū)組成，而且受控于部分熔融，并不適宜用來(lái)討論源區(qū)差異。因此本文選取了Th/Nb和Hf/Sm比值進(jìn)行投圖，結(jié)果顯示，EVF和CKD區(qū)域巖漿具有類似的特征，但SR區(qū)域巖漿則具有較低Th/Nb比值，反應(yīng)了不同的地幔源區(qū)(圖4c)。

勘察加島弧巖漿Sr-Nd同位素組成也反映了不同火山區(qū)域具有不同性質(zhì)的地幔源區(qū)(圖4d)。其中CKD區(qū)域巖漿具有與MORB類似的143Nd/144Nd比值，而較高的87Sr/86Sr比值，表明可能存在板片分異流體的加入(圖4d)。SR區(qū)域巖漿則具有低于MORB的143Nd/144Nd比值和較高的87Sr/86Sr比值，指示其存在富集地幔源區(qū)(圖4d)，可能為EMⅠ端元(Churikovaetal., 2001; Volynetsetal., 1997; Zindler and Hart, 1986)。

勘察加島弧CKD區(qū)域存在大量的火山作用，其成分特征較為復(fù)雜，可能反映了地幔源區(qū)性質(zhì)的差異。如CKD部分巖漿具有高K鈣堿性的特征(圖4a)，而且相對(duì)富集不相容元素，具有高的Ta/Yb和Th/Yb比值(圖4b)，可能代表高K巖石源區(qū)略微富集或者具有更多的流體貢獻(xiàn)(Churikovaetal., 2001)。然而，Portnyagin and Manea (2008)則認(rèn)為由于俯沖板片結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的熱差異是CKD地球化學(xué)組成差異的主要原因。地震學(xué)的研究也顯示CKD區(qū)域可能存在不同的地幔源區(qū)，比如接收函數(shù)成像(receiver function imaging)結(jié)果顯示在CKD下方上地幔深度(大約110km)存在一個(gè)明顯的低速帶，結(jié)合巖石學(xué)模擬的結(jié)果，Nikulinetal. (2012)認(rèn)為在CKD下方可能同時(shí)存在輝石巖熔體和橄欖巖熔體兩個(gè)獨(dú)立地幔源區(qū)，而不是簡(jiǎn)單的流體導(dǎo)致的地幔楔熔融。其中高M(jìn)gO和CaO含量的巖石主要來(lái)自橄欖巖源區(qū)的熔融，如Tolbachik火山；而低CaO含量的巖石則代表了輝石巖的部分熔融，如活動(dòng)的Tolbachik、Klyuchevskoy和Shiveluch火山，消亡火山Zarechny和Kharchinsky。CKD區(qū)域島弧巖漿隨著緯度的增加，CaO逐漸降低，表明北側(cè)巖石源區(qū)輝石巖熔融所占的比例較大(Nikulinetal., 2012)。

2 源區(qū)熔融過(guò)程

板片俯沖過(guò)程中，隨著俯沖深度的增加，板片流體的成分和性質(zhì)也隨之改變，進(jìn)而可能導(dǎo)致源區(qū)熔融程度的系統(tǒng)變化?？辈旒訊u弧巖漿主微量元素特征沿著穿弧剖面表現(xiàn)出系統(tǒng)變化的特征，部分特征可能反應(yīng)了源區(qū)熔融過(guò)程的差別(Churikovaetal., 2001, 2007)。地幔楔熔融過(guò)程中，殘留相中的單斜輝石可以保留Ca，而Na則進(jìn)入熔體相，因此熔融程度與Na/Ca比值有一定相關(guān)性。Churikovaetal. (2001)發(fā)現(xiàn)勘察島弧巖漿從EVF至CKD，(Na2O/CaO)6(角標(biāo)6表示主量元素校正到MgO=6%，Plank and Langmuir, 1988)明顯升高，CKD至SR，(Na2O/CaO)6比值則基本保持恒定，表明EVF火山具有較高的熔融程度(20%)，而CKD和SR區(qū)域熔融程度較低，且變化不大(9%～12%)。該結(jié)論與VHI，HI和MI配分形式所獲得的結(jié)論一致(Churikovaetal., 2001)。熔融程度的差別可能是由于不同深度不同礦物分解形成的流體性質(zhì)差異導(dǎo)致的(詳見5.1)。然而，(Na2O/CaO)6與板片深度卻沒有相關(guān)性，可能暗示地幔楔發(fā)生了兩階段的熔融過(guò)程(Churikovaetal., 2001)。Huangetal. (2018)對(duì)勘察加半島島弧巖漿進(jìn)行了Zn同位素的研究，結(jié)果顯示不同區(qū)域巖石均具有高于虧損地幔的δ66Zn值，而δ66Zn與Ba/La、Ba/Th、Sr/Y、Hf/Lu等板片物質(zhì)交代的指標(biāo)均沒有明顯相關(guān)性，表明板片熔/流體對(duì)Zn同位素組成影響較小。Huangetal. (2018)模擬計(jì)算了部分熔融過(guò)程中Zn同位素分餾，結(jié)果顯示地幔部分熔融過(guò)程可以形成勘察加島弧巖漿較高δ66Zn值。

因此，勘察加島弧不同火山區(qū)域具有差異的地幔源區(qū)，且熔融程度也不相同(圖5)。對(duì)于EVF和CKD區(qū)域巖漿，其微量元素特征可由虧損地幔經(jīng)歷不同程度部分熔融，再混合一定量的板片流體形成，表明巖漿主要來(lái)源于虧損地幔；而SR區(qū)域巖漿相對(duì)富集Nb、Ta、Th等高場(chǎng)強(qiáng)元素，部分熔融的計(jì)算表明源區(qū)存在一定比例(5%～35%)的富集地幔，且具有低于MORB的143Nd/144Nd比值，較高的87Sr/86Sr比值，指示其存在富集地幔源區(qū)(圖5)。根據(jù) (Na2O/CaO)6比值的變化，表明有前緣火山至弧后，熔融程度先逐漸降低，然后基本保持恒定(圖5)。

圖5 勘察加島弧不同區(qū)域熔融機(jī)制模型圖(據(jù)Churikova et al., 2001修改)EVF和SR區(qū)域流體主要來(lái)源于俯沖板片，CKD區(qū)域流體來(lái)自俯沖板片和夏威夷帝王島鏈，其中EVF和CKD區(qū)域流體主要為角閃石脫水分解形成的富水的流體，SR區(qū)域流體為硬柱石脫水分解形成的流體. EVF區(qū)域地幔熔融程度較高，CKD和SR區(qū)域熔融程度低，且SR區(qū)域存在富集地幔Fig.5 Schematic model showing the relationship between the factors that influence the across-arc geochemical zonation in Kamchatka Arc (modified after Churikova et al., 2001)The fluid source below EVF and SR is dominated by the subducted slab, while both the suducted slab and the Hawaii-Emperor Seamounts support the extremely large fluid flux for the CKD lavas. The degree of melting changes from 20% for EVF to 9%～12% for CKD and SR

3 巖漿結(jié)晶分異

勘察加島弧部分單個(gè)火山存在大量多期次、多成因的火山活動(dòng)。該類火山活動(dòng)產(chǎn)生的巖漿隨時(shí)間演化，其成分發(fā)生明顯變化，可能反應(yīng)了巖漿過(guò)程中的結(jié)晶分異作用。如勘察加島弧CKD區(qū)域克柳切夫火山(Klyuchevskoy)同時(shí)存在高鋁玄武巖(High Aluminum Basalts, HAB, MgO<6%)和高鎂玄武巖(High Magnesia Basalts, HMB, MgO>7%)，因此是研究HAB巖漿成因的理想地區(qū)(Ozerov, 2000)。關(guān)于高鋁玄武巖的成因，一直存在較大的爭(zhēng)議。主要存在2個(gè)觀點(diǎn)：(1)HAB直接由俯沖洋殼及沉積物部分熔融形成；(2)HAB由高鎂玄武巖(High Magnesia Basalts, HMB, MgO>7%)母巖漿通過(guò)巖漿結(jié)晶分異作用形成；其他的觀點(diǎn)包括鎂質(zhì)巖漿+斜長(zhǎng)石堆晶和熔體再平衡等(Ariskinetal., 1995; Bergal-Kuvikasetal., 2017; Koulakovetal., 2016; Ozerov, 2000)。Ozerov (2000)對(duì)克柳切夫火山不同類型島弧巖漿進(jìn)行了詳細(xì)的地球化學(xué)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HAB和HMB主量元素SiO2、TiO2、Al2O3、Na2O、K2O與MgO具有明顯的負(fù)相關(guān)，而且具有連續(xù)的演化趨勢(shì)，表明兩者可能是同一母巖漿經(jīng)歷結(jié)晶分異形成的(圖6)。在巖漿演化過(guò)程中，MgO和CaO逐漸降低，而TiO2、Na2O、K2O逐漸升高，表明存在橄欖石和輝石的分異結(jié)晶(圖6)。在礦物組成上，HMB主要富集橄欖石，單斜輝石，尖晶石等早期形成的礦物，而HAB則富集斜長(zhǎng)石，磁鐵礦等晚期礦物，也證明兩者存在分異結(jié)晶的過(guò)程，為同一母巖漿(Ozerov, 2000)。

根據(jù)K2O的含量，HMB巖漿又可以分為低鉀系列(K2O<0.8%)和高鉀系列(K2O>0.8%)，兩者具有類似的MgO含量，但K2O變化較大，表明兩者可能來(lái)自不同源區(qū)(Bergal-Kuvikasetal., 2017)。低鉀和高鉀系列均具有高的Th/Yb和Ba/La比值，表明源區(qū)可能存在超臨界流體，而且高鉀系列具有明顯高于低鉀系列的Th/Yb比值，表明高鉀系列可能形成于更深的地幔源區(qū)(Bergal-Kuvikasetal., 2017; Kesseletal., 2005)。HMB中高鉀系列巖漿經(jīng)過(guò)進(jìn)一步巖漿分異結(jié)晶和同化混染過(guò)程可以形成HAB巖漿，進(jìn)一步證明了HAB的成因模式為巖漿演化過(guò)程(Bergal-Kuvikasetal., 2017; Mironovetal., 2001; Ozerov, 2000)。地震層析成像的研究顯示，在克柳切夫火山下方不存在明顯的流體通道，而主要表現(xiàn)為小的傾斜的彌散式流體通道，代表其源區(qū)可能來(lái)自于不同深度，也證明了高鉀和低鉀系列具有不同的巖漿源區(qū)和成巖深度(Koulakovetal., 2016)。

目前，勘察加半島存在一系列的活火山，其噴發(fā)時(shí)間得到了精確的記錄，因此為研究巖漿演化隨時(shí)間變化的規(guī)律提供了理想的天然樣品(Shcherbakovetal., 2011; Turneretal., 2013)。自1956年以來(lái)，克柳切夫火山(Klyuchevskoy)南側(cè)的別濟(jì)米安納火山(Bezymianny)保持了長(zhǎng)期間歇性的噴發(fā)(Turneretal., 2013)。Turneretal. (2013)對(duì)該期間33次噴發(fā)的巖漿樣品進(jìn)行了完整的取樣(55件樣品)和詳細(xì)的角閃石礦物化學(xué)及地球化學(xué)研究，結(jié)果顯示樣品為安山質(zhì)的成分，而且隨時(shí)間演化鎂鐵質(zhì)的比例逐漸增加(1956年SiO2約61%，MgO約2.5%，而2010年SiO2約57%，MgO約4%)。同時(shí)，樣品中的角閃石也表現(xiàn)出明顯的成分變化，即早期的樣品主要為低Al含量(Al2O3約8%～11%)的角閃石，而后期形成的角閃石一般具有較高的Al含量(Al2O3約13%～15%)。根據(jù)大量的模擬和計(jì)算，Turneretal. (2013)認(rèn)為巖漿成分的演化既反映了巖漿源區(qū)不同的壓力條件，同時(shí)也表明源區(qū)存在巖漿混合作用。具體可以分為3個(gè)階段，首先，在1956年以前，巖漿源區(qū)包含3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的成分，并且形成于不同地殼深度，此時(shí)的巖漿主要來(lái)自于最淺部的源區(qū)的貢獻(xiàn)；之后在1956～1979年之間，較淺的兩個(gè)巖漿源區(qū)發(fā)生了混合，并促使了巖漿噴發(fā)；最后在1979～2010年之間，最深部同時(shí)也是最基性的巖漿源區(qū)與上部的兩個(gè)源區(qū)發(fā)生了混合，導(dǎo)致了巖漿噴發(fā)，此時(shí)最淺處的巖漿貢獻(xiàn)極低，而主要來(lái)自深部的巖漿(Shcherbakovetal., 2011; Turneretal., 2013)。該結(jié)論與斜長(zhǎng)石中震蕩環(huán)帶所反映的巖漿多次補(bǔ)充過(guò)程是一致的(Shcherbakovetal., 2011)。

圖6 勘察加島弧CKD區(qū)域克柳切夫火山代表性樣品主量元素相關(guān)性圖解數(shù)據(jù)引自O(shè)zerov (2000)Fig.6 Variation diagrams of major elements showing the compositions of lavas from Klyuchevskoy volcano in the CKD area, the Kamchatka ArcData from Ozerov (2000)

4 島弧巖漿源區(qū)熔/流體交代

俯沖板片來(lái)源熔/流體的交代可以降低地幔楔的熔融溫度，進(jìn)而促使地幔楔熔融，產(chǎn)生島弧巖漿(Caoetal., 2017, 2019; Liuetal., 2019)。因此，源區(qū)熔/流體交代過(guò)程的研究是揭示島弧巖漿巖石成因的關(guān)鍵。根據(jù)水和溶質(zhì)比例的不同，板片熔/流體可以分為富水流體，含水熔體和超臨界流體(肖益林等, 2015)。富水流體富集大離子親石元素(LILE)，而虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(HFSE)和重稀土元素(HREE)，而俯沖板片形成的熔體則富集所有的不相容元素，包括HFSE，HREE(Brenanetal., 1995; Defant and Drummond, 1990; Martin, 1999)。島弧巖漿微量元素的富集主要是俯沖板片熔/流體的貢獻(xiàn)(Nielsen and Marschall, 2017; Shuetal., 2017)，作為具有典型溝-弧-盆體系的勘察加島弧，目前已經(jīng)有大量關(guān)于巖漿源區(qū)熔/流體交代過(guò)程的研究。

4.1 流體交代

流體活動(dòng)性元素及其比值可以有效示蹤源區(qū)流體交代過(guò)程。如Ce和Pb具有類似相容性，在部分熔融和結(jié)晶分異過(guò)程中Ce/Pb比值基本保持不變，但Pb流體活動(dòng)性較強(qiáng)，因此Ce/Pb比值可以有效示蹤流體活動(dòng)(Milleretal., 1994)?？辈旒訊u弧巖漿不同區(qū)域Ce/Pb比值和Ba/Zr比值沒有系統(tǒng)變化，表明流體加入的量沒有系統(tǒng)的減少或增加(Churikovaetal., 2001)。但CKD區(qū)域具有明顯高的U/Th比值，可能代表了一次早期的流體加入事件(Churikovaetal., 2001)。

隨著板片的俯沖，不同礦物發(fā)生脫水分解，進(jìn)而釋放出富集不同元素的流體，因此可以使用島弧巖漿的主微量元素特征揭示源區(qū)礦物的分解作用(Schmidt and Poli, 1998)。角閃石分解形成的流體具有低的Si和高的LILE，具有高的活動(dòng)性，可以交代地幔楔形成較多的熔體，因此角閃石釋放的流體可能是EVF和CKD區(qū)域源區(qū)的主要流體類型，而硬柱石分解形成的流體具有高的Si含量，水含量少，可以運(yùn)移較多的HFSE，但此類流體黏度更大，活動(dòng)性較弱，因此造成的部分熔融程度較低，可能是SR區(qū)域流體的主要來(lái)源(Bureau and Keppler, 1999)。從弧前到弧后，勘察加島弧La/Yb比值逐漸升高，可能反映了硬柱石的脫水分解(Churikovaetal., 2001; Schmidt and Poli, 1998)。

圖7 勘察加島弧不同區(qū)域流體性質(zhì)(a)橄欖石中熔體包裹體B/La比值隨板片深度逐漸降低；(b)橄欖石中熔體包裹體Li/Yb比值隨板片深度逐漸升高；(c)根據(jù)熔體包裹體揮發(fā)分和流體活動(dòng)性元素差異，推斷勘察加島弧下方存在不同的流體端元，前緣火山和中部火山以富B流體為主，而弧后火山則以富Li流體為主. 圖例同圖2，數(shù)據(jù)引自Churikova et al. (2001, 2007)Fig.7 Fluid characteristics across the Kamchatka ArcFrom arc front to back arc, B/La ratios of melt inclusions decreases (a), while Li/Yb ratios increases (b) gradually; (c) three fluid endmembers are inferred from the decoupling of Li/Yb and B/La ratios. The EVF was dominated by fluid enriched in B and LILE; the CKD was dominated by fluid enriched in S and U; while in the back arc, the fluid was enriched in F and Be. Legends as in Fig.2. Data from Churikova et al. (2001, 2007)

為了獲得初始巖漿的揮發(fā)分組成，并排除巖漿去氣作用對(duì)揮發(fā)分的影響，Churikovaetal. (2007)對(duì)橄欖石中的熔體包裹體進(jìn)行了詳細(xì)的地球化學(xué)研究，結(jié)果顯示橄欖石中熔體包裹體微量元素特征與島弧巖漿全巖基本類似，但變化范圍更大，能夠更好地反映源區(qū)的特征，與島弧巖漿全巖特征類似，橄欖石中的熔體包裹體微量元素整體具有富集LILE和LREE，虧損HFSE的特征(Churikovaetal., 2007)?？辈旒訊u弧S/Yb，Cl/Yb從前緣火山至弧后，逐漸降低，F(xiàn)/Yb則逐漸升高。EVF和CKD區(qū)域具有更高的Cl/Nb、S/Nb、U/Nb、Th/Nb、Ba/Nb、K/Nb和P/Nb比值，而且與B具有正相關(guān)，表明EVF和CKD區(qū)域主要受富B流體的交代(Churikovaetal., 2007)。CKD區(qū)域具有最高的S含量和S/Nb、U/Th比值，而且與CKD巖漿高的δ18O耦合，表明CKD區(qū)域流體主要來(lái)自蝕變洋殼(Dorendorfetal., 2000)。SR區(qū)域F/Yb和B/Yb具有正相關(guān)，而且具有最高Li/Yb比值，表明主要受富Li流體的交代(Churikovaetal., 2007)。綜合熔體包裹體微量元素信息，Churikovaetal. (2007)提出勘察加島弧下方存在三種流體端元：(1)EVF流體主要在前緣火山，富集B、Cl和親硫元素，具有較高的B/La比值和較低的U/Th比值，在CKD和SR區(qū)域該類流體逐漸減少(圖7a)；(2)CKD流體主要影響CKD區(qū)域，表現(xiàn)為高度富集S、Cl和U(圖7b)；(3)SR流體富集F、Li和Be，該類流體可能在CKD下方釋放，然后運(yùn)移至SR區(qū)域(圖7c)。Churikovaetal. (2007) 認(rèn)為不同含水礦物的脫水分解是造成不同流體端元的主要原因，EVF和CKD區(qū)域主要是角閃石和蛇紋石脫水，而弧后區(qū)域則主要是硬柱石脫水，該結(jié)論與全巖觀測(cè)一致(Churikovaetal., 2001)。根據(jù)批式熔融和質(zhì)量平衡計(jì)算，Churikovaetal. (2007)估算了流體和地幔端元對(duì)揮發(fā)分及流體活動(dòng)性元素的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明F、Cl和S均主要來(lái)自板片流體(>30%)。

對(duì)CKD區(qū)域克柳切夫火山(Klyuchevskoy)的研究發(fā)現(xiàn)，該巖漿中橄欖石(5.8‰～7.1‰)和輝石(5.7‰～7.7‰)具有明顯高于正常虧損地幔的δ18O值(5.4‰～5.8‰, Eileretal., 2000)。輝石與橄欖石之間分餾值與巖漿溫度條件下平衡分餾值接近，表明O同位素分餾基本處于平衡狀態(tài)(Dorendorfetal., 2000)。巖石δ18O值與流體活動(dòng)性元素(K、Si、Cs、Li、Sr、Rb、Ba、Th、U、LREE)及Sr同位素組成表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)，表明島弧巖漿形成于虧損地幔源區(qū)與富集流體的交換過(guò)程，古老的太平洋板片及帝王島鏈的快速俯沖可能是形成CKD異常高δ18O的主要原因(Dorendorfetal., 2000)。對(duì)克柳切夫火山橄欖石斑晶和寄主玄武質(zhì)玻璃的研究也發(fā)現(xiàn)，高的δ18O值與高的H2O含量相耦合，也證明了火山源區(qū)存在較大的流體通量(Aueretal., 2008)。Aueretal. (2008)認(rèn)為在SR區(qū)域巖漿形成時(shí)，俯沖板片已經(jīng)交代了上地幔，并形成了高δ18O的特征，后期俯沖洋殼與該交代地幔的反應(yīng)，最終導(dǎo)致高巖漿產(chǎn)率和高δ18O的CKD巖漿形成。

Kersting and Arculus (1995)對(duì)勘察加半島的研究表明島弧巖漿(Klyuchevskoy、Tolbachik、Kumroch-Shish和Maly Semiachik)Pb同位素組成(206Pb/204Pb=18.15～18.30、207Pb/204Pb=15.45～15.48、208Pb/204Pb=37.74～37.95)變化小，且明顯低于太平洋沉積物Pb同位素組成(206Pb/204Pb=18.51～18.78、207Pb/204Pb=15.56～15.64、208Pb/204Pb=38.49～38.75)，因此Kersting and Arculus (1995)認(rèn)為勘察加島弧下方未發(fā)生沉積物的俯沖，并且不存在沉積物分異的流體的加入。該結(jié)論與勘察加島弧較低的10Be濃度(0.0～1.2×106at/g)一致(Tsvetkovetal., 1989)。

俯沖帶地幔交代作用的研究主要集中于俯沖帶島弧巖漿以及俯沖沉積物和蝕變洋殼的研究，對(duì)于俯沖帶超鎂鐵質(zhì)地幔捕虜體(尤其是橄欖巖和輝石巖捕虜體)的研究則較少，這主要是由于島弧巖漿中捕虜體的出露較少。在勘察加島弧巖漿(如Shiveluch火山、Avachinsky火山、Kharchinsky火山、Valovayam火山)中出露了一定量的超鎂鐵質(zhì)捕虜體，為研究弧下地幔交代作用提供了直接樣品(Halamaetal., 2009; Ionov and Seitz, 2008; Kepezhinskasetal., 1996; Kersting and Arculus, 1995; Siegristetal., 2019; Tomanikovaetal., 2019)?？辈旒影雿uNCKD區(qū)域Kharchinsky火山中地幔捕虜體全巖地球化學(xué)及礦物化學(xué)的研究表明捕虜體具有明顯的Ce負(fù)異常和高的Ba/Th比值，反映了被高氧化性流體交代的過(guò)程，同時(shí)單斜輝石巖捕虜體具有高于島弧巖石的εHf值，可能代表了島弧巖石地幔源區(qū)物質(zhì)組成的改變(Siegristetal., 2019)?？辈旒訊u弧EVF地區(qū)Avachinsky火山中地幔捕虜體Li同位素體系的研究表明全巖和單礦物均具有類似于虧損地幔的Li同位素組成，表明被交代的地幔捕虜體可能經(jīng)歷了后期的擴(kuò)散再平衡作用(Halamaetal., 2009; Ionov and Seitz, 2008)。

為了探討島弧巖石地幔源區(qū)流體交代特征及變化規(guī)律，近期，Liuetal. (unpublished)對(duì)勘察加島弧穿弧剖面上的9座火山中出露的島弧巖石進(jìn)行了流體活動(dòng)性元素(如As、Mo、Sn、W和Sb等)和Li同位素體系的系統(tǒng)研究，結(jié)果顯示島弧巖石隨著俯沖深度的增加(俯沖溫度和壓力增加)，流體活動(dòng)性元素比值(如As/Ce和Sb/Ce等)系統(tǒng)降低，反映了俯沖板片釋放到島弧源區(qū)的流體通量逐漸降低。分析前人已發(fā)表的不同區(qū)域島弧巖石的微量元素特征，Liuetal. (unpublished)發(fā)現(xiàn)CKD區(qū)域具有異常高的U/Th、La/Sm和B/Nb比值，因此推測(cè)CKD區(qū)域源區(qū)可能存在硬柱石分解釋放的流體。

相對(duì)于流體活動(dòng)性元素比值(如As/Ce和Sb/Ce等)，勘察加半島不同區(qū)域島弧巖石的Li同位素組成變化較小，而且與N-MORB類似，這與已發(fā)表島弧巖石的Li同位素特征類似(Tomascaketal., 2002; Liuetal., unpublished)。進(jìn)一步的脫水模擬結(jié)果顯示，俯沖板片及蛇紋石化橄欖巖釋放的流體均具有極高的Li含量和重的Li同位素組成，表明勘察加半島島弧巖石的Li同位素體系未受俯沖板片及蛇紋巖釋放流體的影響(Tomascaketal., 2002; Liuetal., unpublished)。綜上，勘察加半島島弧源區(qū)俯沖沉積物分異流體有限，但存在板片分異流體的加入，而且隨著板片俯沖及脫水反應(yīng)的進(jìn)行，流體的組成也逐漸變化，通過(guò)島弧巖石綜合的元素及同位素研究可以有效揭示以上變化規(guī)律。

4.2 勘察加島弧B同位素組成及對(duì)流體的示蹤

圖8 勘察加島弧不同區(qū)域B同位素組成(a)勘察加島弧穿弧剖面δ11B與貝尼奧夫帶深度相關(guān)圖解；(b)勘察加島弧δ11B與Nb/B比值圖解，表現(xiàn)為明顯的混合趨勢(shì). 北千島島弧的數(shù)據(jù)引自Ishikawa et al. (2001)，虧損地幔范圍據(jù)Chaussidon and Jambon (1994)Fig.8 Across-arc variations of B isotopes in Kamchatka Arc(a) δ11B vs. depth of Wadati-Benioff Zone; (b) δ11B vs. Nb/B ratios, which show mixing trend between the mantle wedge and slab-derived fluids. Data from Ishikawa et al. 2001. Depleted mantle and Northern Kurile values (Chaussidon and Jambon, 1994; Ishikawa et al., 2001) for δ11B are shown for comparison

B是流體活動(dòng)性元素，而且B及B同位素在俯沖帶相關(guān)地質(zhì)儲(chǔ)庫(kù)中具有顯著差異，因此B同位素體系可以有效示蹤俯沖帶流體相關(guān)的地質(zhì)活動(dòng)(Chaussidon and Marty, 1995; De Hoog and Savov, 2018; Ishikawaetal., 2001)。如地幔具有極低的B濃度([B]<0.05×10-6)和B同位素組成(δ11B=-7.1‰)，而地殼巖石(洋殼，蝕變洋殼，沉積物和蛇紋石化橄欖巖)則富集B([B]>100×10-6，100～1000×地幔)且具有差異的B同位素組成(Chaussidon and Jambon, 1994; Marschall and Foster, 2018)。在俯沖過(guò)程中，隨著板片脫水B跟隨揮發(fā)分釋放到弧前區(qū)域，并產(chǎn)生B同位素的分餾(Pabstetal., 2012; Scambelluri and Tonarini, 2012)，導(dǎo)致殘余板片具有較輕的B同位素組成，因此通?？梢栽诖┗∑拭鎹u弧巖漿中觀察到B濃度和B同位素組成逐漸降低的趨勢(shì)(Ishikawa and Nakamura, 1994; Ishikawa and Tera, 1997, 1999; Leemanetal., 1994)。Ishikawaetal. (2001)對(duì)勘察加半島不同火山區(qū)域島弧巖漿進(jìn)行了B同位素的研究，結(jié)果顯示從前緣火山到弧后，EVF區(qū)域具有明顯較高的B/Nb比值(14～22)和δ11B值(+4.9～+5.6‰)，而SR區(qū)域巖漿則具有較低的B/Nb比值(～3)和δ11B值(-2‰)，表明在前緣火山具有大量的俯沖板片流體加入，而弧后區(qū)域流體較少(圖8a)。然而，整個(gè)勘察加島弧穿弧剖面并沒有表現(xiàn)出B同位素組成系統(tǒng)降低的趨勢(shì)(圖8a)，主要是因?yàn)镃KD區(qū)域具有明顯偏高的δ11B值，可能反應(yīng)了CKD區(qū)域具有高B含量和重B同位素組成的流體加入(Ishikawaetal., 2001)。CKD區(qū)域異常高的δ11B值和B/Nb比值，與該區(qū)域發(fā)現(xiàn)的高18O組成特征相耦合，表明可能由于帝王島鏈的俯沖而在CKD區(qū)域存在更大的流體通量(Dorendorfetal., 2000; Ishikawaetal., 2001)。勘察加島弧巖漿在Nb/B比值和δ11B相關(guān)圖中表現(xiàn)為明顯的混合趨勢(shì)(圖8b)，該趨勢(shì)可以解釋為高δ11B值，低Nb/B比值的板片流體和低δ11B值，高Nb/B比值的地幔楔混合。通過(guò)簡(jiǎn)單瑞利分餾模擬，Ishikawaetal. (2001)認(rèn)為蝕變洋殼和/或蛇紋石化橄欖石是該流體的主要來(lái)源。

然而，Ishikawaetal. (2001)的模擬忽略了在俯沖變質(zhì)脫水過(guò)程中的B同位素分餾，即隨著重B同位素的釋放，殘余的板片將逐漸富集輕的B同位素，因此脫水流體也逐漸變輕(Bentonetal., 2001; Bouvieretal., 2008, 2010; Marschalletal., 2007)?；谀M計(jì)算的結(jié)果，Konrad-Schmolkeetal. (2016)認(rèn)為勘察加島弧巖石B/Nb和B同位素的變化趨勢(shì)可以解釋為俯沖板片的連續(xù)脫水，地幔楔的蛇紋石化和之后板片下部地幔的脫水。Konrad-Schmolkeetal. (2016)指出EVF區(qū)域的流體主要為來(lái)自俯沖板片和地幔楔中的綠泥石脫水，而CKD區(qū)域的脫水礦物則主要為俯沖板片下部地幔中的蛇紋石，因此形成了CKD區(qū)域異常高的B/Nb和B同位素組成(Ishikawaetal., 2001)。然而，大部分俯沖帶都可能存在以上過(guò)程，僅有勘察加島弧地區(qū)存在該特征，因此以上數(shù)值模擬可能過(guò)分強(qiáng)調(diào)了俯沖板片下部地幔的脫水過(guò)程。帝王海山島鏈的俯沖是勘察加地區(qū)獨(dú)有的特點(diǎn)，可能是CKD區(qū)域異常重B同位素組成以及高巖漿產(chǎn)率的主要原因(Dorendorfetal., 2000)。

近期，Tomanikovaetal. (2019)對(duì)勘察加弧下地幔捕虜體中的角閃石、金云母、輝石等交代礦物進(jìn)行了B同位素體系的研究，結(jié)果顯示交代礦物具有低的B含量(0.2×10-6～3.1×10-6)和較輕的B同位素組成(δ11B=-16.6‰～+0.9‰)，表明勘察加島弧巖石高的B含量和重的B同位素組成(圖8)無(wú)法由交代的弧下地幔楔直接熔融形成，而需要蛇紋巖分異的具有高B含量和重B同位素組成的流體參與。

圖9 太平洋板塊向北俯沖到阿留申下方、向西俯沖到勘察加半島下方(據(jù)Yogodzinski et al., 2001修改)太平洋板塊在交匯處發(fā)生撕裂，促使地幔熱流接觸板片邊界和板片窗. 在板片上方產(chǎn)生了埃達(dá)克巖漿，包括勘察加到NCKD區(qū)域的Shiveluch火山和Aleutians火山. 該模型可以較好地解釋古老板片熔融形成埃達(dá)克巖Fig.9 Schematic map showing Pacific plate subducted to the north beneath the central Aleutians and to the west beneath Kamchatka (modified after Yogodzinski et al., 2001)Pacific plate is being torn at the cross location and prompt large heat flow. The arrows indicate asthenospheric flow around the plate edges. Adakitic volcanism is observed at Shiveluch volcano in Kamchatka and Aleutions volcano. This schematic would explain the melting of relatively old subducting plates

4.3 熔體交代

勘察加半島NCKD區(qū)域思維納弛火山(Shiveluch)攜帶的超基性地幔捕虜體中主要包含尖晶石純橄巖、方輝橄欖巖及角閃石金云母輝石巖，其中地幔捕虜體中的斜方輝石呈纖維狀產(chǎn)出，局部與角閃石及金云母呈脈狀穿切橄欖石，這些產(chǎn)出特征及礦物化學(xué)組成表明島弧源區(qū)地幔楔經(jīng)歷了熔體交代過(guò)程(Bryantetal., 2007)。橄欖石、斜方輝石和尖晶石的平衡共生表明地幔捕虜體處于較為氧化的狀態(tài)，氧逸度ΔlogFMQ高達(dá)+3.3，這主要是由熔體橄欖巖反應(yīng)導(dǎo)致的(Bryantetal., 2007)。類似地，NCKD區(qū)域哈欽斯基火山(Kharchinsky)攜帶的超基性地幔捕虜體中包含橄欖巖和少量的單斜輝石巖和斜方輝石巖，這些地幔捕虜體均出露大量的金云母、角閃石和綠色尖晶石等礦物，其結(jié)構(gòu)特征表明這些礦物主要為熔體后期結(jié)晶形成的，直接反映了地幔楔經(jīng)歷的熔體交代作用，進(jìn)一步的礦物化學(xué)研究表明交代熔體主要來(lái)自俯沖洋殼的部分熔融(Kersting and Arculus, 1995; Siegristetal., 2019)。

該結(jié)論也被勘察加NCKD區(qū)域島弧巖漿地球化學(xué)的組成所證明，典型的火山主要包含思維納弛火山(Shiveluch)，扎列奇內(nèi)火山(Zarechny)和哈欽斯基火山(Kharchinsky)。與CKD島弧巖漿不同，NCKD巖漿具有高的 (SiO2)6.0、(K2O)6.0和(Na2O)6.0含量，而且 (Sr/Y)6.0和(La/Yb)6.0比值明顯高于正常地幔值，巖石整體具有埃達(dá)克巖的特征，表明源區(qū)可能存在俯沖板片的熔融(Churikovaetal., 2001; Yogodzinskietal., 2001)。通常認(rèn)為，年輕的，熱的俯沖板片更容易發(fā)生熔融形成埃達(dá)克巖，然而在勘察加島弧下方主要為古老的太平洋板塊(Defant and Drummond, 1990)，這與一般的認(rèn)識(shí)存在差異。Yogodzinskietal. (2001)結(jié)合地球物理和地球化學(xué)的證據(jù)，認(rèn)為NCKD下方可能存在一個(gè)板片窗，同時(shí)，太平洋板片發(fā)生了撕裂，使板片直接接觸到了異常地幔熱流，而且，NCKD下方太平洋板片處于Komandorsky板片的轉(zhuǎn)換邊界，因此熱的地幔熱流在三個(gè)方向發(fā)生加熱，進(jìn)而促使太平洋板片發(fā)生了熔融(圖9)。該研究表明埃達(dá)克巖的形成不僅與俯沖板片的性質(zhì)相關(guān)，而且與俯沖幾何結(jié)構(gòu)等物理?xiàng)l件有關(guān)(Yogodzinskietal., 1995, 2001)。熱模擬的研究也證明了太平洋板塊北部存在撕裂和減薄，而且該減薄可能是由明治-夏威夷(Meiji-Hawaiian)熱點(diǎn)的俯沖導(dǎo)致的(Davaille and Lees, 2004)。另外，NCKD巖漿HFSE含量與正常CKD類似，表明板片熔融沒有明顯增加HFSE，可能是由于源區(qū)殘留榍石或金紅石等富集HFSE的礦物所導(dǎo)致的(Churikovaetal., 2001)。

5 結(jié)語(yǔ)

勘察加島弧體系是西太平洋大量溝-弧-盆體系中的重要組成部分。前人已經(jīng)發(fā)表了大量關(guān)于勘察加島弧巖石成因方面的研究。結(jié)果表明，沿著穿弧剖面，勘察加島弧巖漿地球化學(xué)組成表現(xiàn)出系統(tǒng)變化的趨勢(shì)，反應(yīng)了島弧源區(qū)地幔特征，熔融過(guò)程，巖漿結(jié)晶分異及熔/流體交代過(guò)程的差異?；鹕角熬壷粱『?，勘察加島弧巖漿Th/Yb、Ta/Yb和HFSE元素含量逐漸升高，表明地幔源區(qū)由虧損地幔逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦患蒯＃恢髁吭?Na/Ca)及不相容元素配分的系統(tǒng)變化揭示了地幔源區(qū)熔融程度的變化，弧前區(qū)域熔融程度較大，中部區(qū)域和弧后則較低；流體活動(dòng)性元素，同位素及熔體包裹體的研究表明島弧巖漿源區(qū)存在大量的熔/流體交代過(guò)程?？辈旒訊u弧源區(qū)可能存在不同的流體端元，主要反應(yīng)了在不同深度不同含水礦物的分解。另外，勘察加島弧部分單個(gè)火山作用具有復(fù)雜的地球化學(xué)成分，可能主要反映了巖漿結(jié)晶分異過(guò)程。以上新的成果，有助于加深理解西太平洋溝-弧-盆體系的成因，促進(jìn)對(duì)于俯沖帶巖漿活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

致謝本研究成果還受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41903006)、中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2019M652497)、山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目和青島市博士后應(yīng)用研究項(xiàng)目的資助。感謝審稿專家給予認(rèn)真而細(xì)致的評(píng)審，對(duì)本文質(zhì)量的提升大有裨益。