基于獨立成分分析的馬里亞納弧后地幔源區(qū)特征研究

于璐瑤田麗艷伍錫昌孫國洪陳凌軒

(1.中國科學(xué)院 深?？茖W(xué)與工程研究所,海南 三亞572000;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049;3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室,山東 青島266003;4.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,吉林 長春130012;5.自然資源部 第二海洋研究所,浙江 杭州310012)

作為理解地球系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞的窗口之一,俯沖帶系統(tǒng)在人類研究和認(rèn)識地球殼幔相互作用、地球深部動力學(xué)過程和巖石圈演化等各方面具有重要的科學(xué)意義。西太平洋板塊會聚邊緣發(fā)育有獨特的溝-弧-盆構(gòu)造體系和熱液系統(tǒng),保留著海底板塊運動的遺跡,在這些島弧、邊緣海盆或弧后盆地開展地球物理學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、熱液礦床及熱液口附近生物群體等方面的研究一直是國際海洋地質(zhì)學(xué)界關(guān)注的焦點。

馬里亞納海槽是目前正在活動的、位于洋-洋板塊(太平洋板塊-菲律賓板塊)會聚邊緣的弧后盆地的典型代表[1],為研究弧后擴張早期演化、弧后盆地巖漿作用以及相關(guān)的地球動力學(xué)過程提供了良好的場所[2-4]。對馬里亞納海槽玄武巖的研究由來已久,巖石學(xué)和地球化學(xué)研究結(jié)果表明馬里亞納海槽的弧后盆地玄武巖與洋中脊玄武巖(Mid-Ocean Ridge Basalt,MORB)相似,但具有富集大離子親石元素(Large Ion Lithophile Element,LILE)(Rb,Sr,Ba,Th,U等)及輕稀土元素(Light Rare Earth Element,LREE)和虧損高場強元素(High Field-Strength Element,HFSE)(Nb,Hf,Ta,Zr等)的特征[5-8]。而且,馬里亞納海槽玄武巖這種具有高K,Rb,Ba,Pb,Sr和H2O含量的地球化學(xué)特征,與馬里亞納島弧玄武巖相似,說明其地幔源區(qū)也受到俯沖組分的影響[6,9-12];但是與島弧玄武巖相比,海槽玄武巖受到俯沖組分的影響相對較小[4]。Gribble等[2]和Anderson等[13]進一步發(fā)現(xiàn)馬里亞納海槽玄武巖受俯沖組分的影響在弧后地區(qū)(17°～15°N)由北向南逐漸降低[9,14-15];Ikeda等[16]研究發(fā)現(xiàn),相比海槽其他區(qū)域,19°42′N以南的弧后盆地玄武巖的Ba/Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值較高,表明俯沖流體主要影響19°42′N以南的海槽區(qū)域,而以高La/Sm、低U/Th和Zr/Nb比值為特征的沉積物熔融成分主要影響21°00′～19°42′N的海槽區(qū)域。

Ribeiro等[8]對馬里亞納海槽南部(14°～12°N)玄武巖進行了研究,發(fā)現(xiàn)其143Nd/144Nd比值為0.51302～0.51315,而176Hf/177Hf比值為0.28316～0.28329,具有印度洋型MORB地幔特征,也與前人研究的馬里亞納海槽(23°～15°N)Nd/Hf同位素比值結(jié)果相似[2,14,17-19],表明馬里亞納海槽玄武巖具有印度洋型MORB地幔的特征。但馬里亞納海槽南部樣品Pb同位素比值則表現(xiàn)出不同的趨勢,部分樣品表現(xiàn)出太平洋型MORB地幔特征,部分樣品表現(xiàn)出印度洋型MORB地幔特征,這表明馬里亞納海槽南部巖漿可能是由太平洋型MORB地幔和印度洋型MORB地幔共同補給,而海槽其余地區(qū)為印度洋型MORB地幔補給[17-18,20]。

印度洋-太平洋型MORB地幔邊界被認(rèn)為大致與伊豆-小笠原-馬里亞納俯沖帶的位置一致[9,21-22],俯沖帶的東側(cè)為太平洋型MORB地幔,西側(cè)為印度洋型MORB地幔,在這種觀點中,馬里亞納海槽巖漿由印度洋型MORB地幔供給;但也有人認(rèn)為邊界位于千島-日本-南開-琉球海溝的東部[19,23],由此推論,馬里亞納海槽巖漿則由太平洋型MORB地幔供給。因此,馬里亞納海槽弧后盆地玄武巖的源區(qū)究竟是印度洋型還是太平洋型MORB地幔仍然存在爭議,這也是本文討論的核心問題之一。

傳統(tǒng)研究通常采用同位素二維協(xié)變關(guān)系圖來反映不同樣品同位素變量的差異,但這些變量可能在共同組成的空間上存在變量的重疊現(xiàn)象,并且對端元限制的條件不足,以致忽略了總體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征,使得分析結(jié)果的可信度降低,因此,可以采用反映多維數(shù)據(jù)特征的方法來研究同位素特征[25-28]。獨立成分分析方法(ICA)是一種在信息科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的相對新型的多元分析方法[29],能將混合的同位素數(shù)據(jù)分解為相互獨立的源,使得被分析多維同位素信號各成分之間的統(tǒng)計依賴性得到了最小化,突出了源信號的本質(zhì)結(jié)構(gòu)[25]。

本文對采自太平洋中脊、印度洋中脊、馬里亞納海槽、馬里亞納島弧以及中南勞海盆五個區(qū)域的600組玄武巖的同位素比值(87Sr/86Sr-,143Nd/144Nd-,206Pb/204Pb-,207Pb/204Pb-,208Pb/204Pb),進行了獨立成分分析,獲得了3個獨立成分(ICs),結(jié)合樣本的其他地球化學(xué)指標(biāo),獲得了馬里亞納弧后地幔源區(qū)的地球化學(xué)組成的新認(rèn)識。

1 地質(zhì)背景

伊豆-小笠原-馬里亞納俯沖帶位于西太平洋菲律賓板塊的東部,長約2800 km,由太平洋板塊向菲律賓海板塊俯沖向西形成,俯沖角度較大,為研究洋內(nèi)會聚板塊邊緣提供了一個良好場所[4,30-31]。馬里亞納海槽東部以馬里亞納群島火山弧為界,西部以不活躍的西馬里亞納殘留脊為界,北部位于活躍的東馬里亞納火山弧和西馬里亞納殘留脊相交處[1,32](圖1)。海槽東西向最寬處(18°N)約240 km[1,4],南北長約1300 km,自北向南呈向東突出的新月型[33]。在海槽的軸部發(fā)育一條南北向的裂谷帶(圖1),從13°N以北的一系列階梯狀分段排列的盆地(水深約5000 m)過渡到南部相對較淺的山脊(水深約3000 m)。在距今5 Ma左右,由于太平洋板塊俯沖和海溝后撤有關(guān)的伸展作用[34],馬里亞納島弧南部的島弧開裂,形成馬里亞納海槽[33,35-36]。至今馬里亞納海槽的擴張仍在繼續(xù),從北向南擴張速度逐漸增加[37],全擴張速率為15～45 mm/a。馬里亞納海槽北段(22°～14°N)擴張中心靠近海槽的東側(cè),普遍發(fā)育裂谷,類似于典型的慢速擴張中心—大西洋中脊[39](全擴張速率＜35 mm/a[38]):22°～21°N擴張脊段的全擴張速率為20～30 mm/a[13,40];18°～14°N的擴張脊段的全擴張速率為29～40 mm/a[39,41]。而馬里亞納海槽南段(14°N以南)擴張中心比海槽其他區(qū)域具有較高的巖漿活動,類似于東太平洋快速擴張脊(全擴張速率＞50 mm/a[43])[13,39,42],其擴張脊段的全擴張速率為45 mm/a[44]。

圖1 馬里亞納海槽地理位置和數(shù)據(jù)分布Figure 1 Geographic location and data distribution of the Mariana Trough

2 數(shù)據(jù)來源及處理方法

2.1 數(shù)據(jù)處理方法:獨立成分分析(ICA)

獨立成分分析方法是一種信號分解技術(shù),它可以將混合的多元數(shù)據(jù)分解成相互獨立的成分。FastICA算法是極大化非高斯性的獨立成分分析(Independent Component Analysis,ICA)估算方法,在本研究中利用這種算法來分解混合數(shù)據(jù)提取獨立成分(ICs)[24-29]。

在獨立成分分析模型中,多元數(shù)據(jù)被假定為未知潛在變量的線性混合物。假設(shè)一個獨立成分分析模型:

式中:X為同位素矩陣;S為獨立成分矩陣;A為線性混合矩陣,相當(dāng)于影響同位素比值的地質(zhì)過程。

因此,S可表述為

式中:W是一個解混矩陣,W=A-1。因此只要確定W,矩陣S即可求出。

根據(jù)中心極限定理,非高斯變量的隨機混合比原始變量更接近高斯性,獨立成分S在所有可能的不相關(guān)組分中具有最大的非高斯性。因此我們需要選擇合適的W值使得提取出的獨立成分統(tǒng)計獨立并具有最大非高斯分布。

此外,本文中通過負(fù)熵J來度量獨立成分的非高斯性:

式中:G(y)=-exp(-y2/2);y是白化和投影的變量;c是任意常數(shù);ν是零均值和單位方差的高斯變量。如果y是高斯分布,負(fù)熵J(y)=0;如果y是非高斯分布,負(fù)熵J(y)＞0。當(dāng)負(fù)熵J(y)最大時,獨立成分s具有最大非高斯分布。

在地球化學(xué)數(shù)據(jù)的分析中,ICs隱藏在同位素混合數(shù)據(jù)中,分解得到的ICs沒有特定的長度,只能反映數(shù)據(jù)差異的方向,而ICs的數(shù)量是由降維和保留的原始信息決定的。

2.2 數(shù)據(jù)來源

采用600組來自5個區(qū)域的火山巖樣品的Sr-Nd-Pb同位素數(shù)據(jù),其中53組來自馬里亞納海槽(主要為海槽北部和中部),39組來自馬里亞納島弧,277組來自太平洋洋中脊,159組來自印度洋洋中脊,72組來自中南勞海盆(西太平洋地區(qū)另一個典型的洋-洋俯沖帶弧后盆地)。為了能夠討論馬里亞納海槽的地幔源區(qū)特征,所采用的火山巖樣品數(shù)據(jù)必須保證具有以下2個特征:1)SiO2＜56%(后文統(tǒng)稱為“玄武巖”);2)Sr-Nd-Pb同位素比值(87Sr/86Sr-,143Nd/144Nd-,206Pb/204Pb-,207Pb/204Pb-,208Pb/204Pb)和微量元素(La,Sm,Ba,Th,Nb)數(shù)據(jù)完整(表1)。所有分析數(shù)據(jù)來自Pet DB數(shù)據(jù)庫(http:∥www.earthchem.org/petdb)。

表1 600組玄武巖Sr-Nd-Pb同位素比值統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of Sr-Nd-Pb isotopic values of 600 basalts

分析玄武巖Sr-Nd-Pb同位素比值的統(tǒng)計結(jié)果見表1,其玄武巖同位素比值之間的關(guān)系見圖2。由表1和圖2a可知,馬里亞納海槽玄武巖和印度洋MORB的87Sr/86Sr和143Nd/144Nd數(shù)據(jù)分布范圍相似(馬里亞納海槽玄武巖的87Sr/86Sr:0.70264～0.70423,143Nd/144Nd:0.512820～0.513185;印度洋MORB的87Sr/86Sr:0.70266～0.70384,143Nd/144Nd:0.512857～0.513189);相對于其他區(qū)域,它們的87Sr/86Sr比值變化范圍更大,并且馬里亞納海槽玄武巖的數(shù)據(jù)點主要集中在87Sr/86Sr比值范圍為0.70250～0.70300和0.70300～0.70350兩處。

由圖2b和圖2c可知,印度洋MORB的207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值數(shù)據(jù)位于北半球參考線(Northern Hemisphere Reference Line,NHRL)[45]之上,具有較高的207Pb/204Pb和208Pb/204Pb值,而太平洋MORB的數(shù)據(jù)則集中在NHRL附近。馬里亞納海槽玄武巖的207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值數(shù)據(jù)分布在太平洋MORB和印度洋MORB數(shù)據(jù)之間,但與印度洋MORB區(qū)域重合較多。與中南勞海盆和馬里亞納島弧玄武巖相比,馬里亞納海槽玄武巖的207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值分布范圍更大(207Pb/204Pb:15.615～15.578,208Pb/204Pb:37.370～38.848)。

表1中列出了所研究的玄武巖同位素數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性。從平均值看,馬里亞納海槽玄武巖、馬里亞納島弧玄武巖的87Sr/86Sr和206Pb/204Pb比值大于太平洋MORB和印度洋MORB數(shù)據(jù)值;標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)表明,馬里亞納海槽玄武巖的五組Sr-Nd-Pb同位素比值標(biāo)準(zhǔn)差最大。5個區(qū)域的總偏態(tài)顯示研究樣本的143Nd/144Nd和206Pb/204Pb比值為負(fù)偏態(tài),87Sr/86Sr,207Pb/204Pb和208Pb/204Pb比值則為正偏態(tài)。從單個區(qū)域觀察,則馬里亞納海槽、馬里亞納島弧、中南勞海盆玄武巖的206Pb/204Pb,207Pb/204Pb和208Pb/204Pb同位素比值為負(fù)偏態(tài)。太平洋和印度洋MORB五組同位素比值全為正偏態(tài)。所有地區(qū)的偏態(tài)都不為0,且峰度數(shù)據(jù)都不等于3,表明分析的數(shù)據(jù)不是高斯分布,滿足獨立成分分析的條件,因此可以將獨立成分分析方法應(yīng)用到以上數(shù)據(jù)中。

3 結(jié) 果

本文利用ICA計算太平洋洋中脊、印度洋洋中脊、馬里亞納弧后盆地、馬里亞納島弧、中南勞海盆等地區(qū)玄武巖的5組Sr-Nd-Pb同位素數(shù)據(jù)得到了3個獨立成分(ICs),這3個獨立成分方差占樣本方差的99.9%,在統(tǒng)計方面保留樣品的大部分信息,可以真實反映樣本的數(shù)據(jù)特征。表2列出了3個獨立成分的統(tǒng)計學(xué)特性,圖3展示了3個獨立成分的相互關(guān)系。

由圖3a和圖3b可知,IC1將馬里亞納海槽,中南勞盆地以及印度洋MORB與其他兩個區(qū)域(馬里亞納島弧玄武巖和太平洋MORB)分開。其中,75.5%的馬里亞納海槽玄武巖、99%的印度洋MORB和97%的中南勞海盆玄武巖位于IC1＞0的區(qū)域;而97.5%的太平洋MORB和72%的馬里亞納島弧玄武巖位于IC1＜0的區(qū)域。此外,馬里亞納海槽玄武巖的IC1平均值位于太平洋MORB和印度洋MORB的IC1數(shù)據(jù)之間,且更靠近印度洋MORB。從標(biāo)準(zhǔn)差來看,馬里亞納海槽玄武巖數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差最大(0.71)。中南勞盆地玄武巖的偏態(tài)具有最大的絕對值(-1.73),且為負(fù)偏態(tài),但其他4組數(shù)據(jù)的分布均為正偏態(tài)(表2)。

表2 獨立成分的統(tǒng)計特性Table 2 Statistical Characteristics of Three Independent Components

圖3 獨立成分散點圖Fig.3 Scatter plots of independent components

IC2可以區(qū)分馬里亞納海槽玄武巖、馬里亞納島弧玄武巖和太平洋MORB(圖3a和圖3c);其中83%的馬里亞納海槽玄武巖和95%的馬里亞納島弧玄武巖分布在IC2＜0的區(qū)域,而69%的太平洋MORB分布在IC2＞0的區(qū)域。從平均值來看,馬里亞納海槽、馬里亞納島弧、中南勞海盆玄武巖的IC2平均值都為負(fù)值(馬里亞納海槽玄武巖:-0.63;馬里亞納島弧玄武巖:-1.03;中南勞海盆:-0.01)。印度洋MORB偏態(tài)值最大,且為正偏態(tài),其余4組樣品均為負(fù)偏態(tài)(表2)。

IC3可以將洋中脊地區(qū)(太平洋洋中脊、印度洋洋中脊)和島弧-弧后地區(qū)(馬里亞納海槽、馬里亞納島弧、中南勞海盆)的樣本區(qū)分(圖3b和圖3c);其中,83.5%的太平洋MORB和全部印度洋MORB位于IC3＞-0.5區(qū)域,而63%的馬里亞納海槽玄武巖、93%的馬里亞納島弧玄武巖和92%的中南勞海盆位于IC3＜-0.5的區(qū)域。太平洋MORB的數(shù)據(jù)分布為負(fù)偏態(tài),其他4組數(shù)據(jù)的分布為正偏態(tài)(表2)。

4 討 論

4.1 IC1的起源

Iwamori等[27,29]對全球大洋玄武巖的同位素特征進行了研究,認(rèn)為其中有一個IC可以清楚地將太平洋MORB(IC＜0)和印度洋MORB(IC＞0)分開,且該IC與地幔Dupal異常相關(guān)。本文中太平洋MORB和印度洋MORB的IC1值的分布區(qū)域也存在明顯不同,97.3%的太平洋MORB的IC1＜0,而99.3%的印度洋MORB的IC1＞0。(La/Sm)N通常被用于識別MORB是否富集,一般認(rèn)為低程度的部分熔融和富集地幔物質(zhì)的加入會導(dǎo)致較高的(La/Sm)N比值[48],因此,可以利用IC1和(La/Sm)N的關(guān)系來揭示IC1的起源。

除太平洋MORB以外其他區(qū)域的IC1和(La/Sm)N比值存在相關(guān)性:印度洋洋中脊、馬里亞納島弧、馬里亞納海槽玄武巖IC1和(La/Sm)N比值呈正相關(guān),中南勞海盆玄武巖IC1和(La/Sm)N比值呈負(fù)相關(guān)(圖4)。此外,70%的馬里亞納海槽玄武巖數(shù)據(jù)為(La/Sm)N＞1,(La/Sm)N比值變化范圍較大(0.64～4.13),均值為1.55;89%的馬里亞納島弧玄武巖數(shù)據(jù)為(La/Sm)N＞1,(La/Sm)N比值變化范圍為0.51～1.78,均值為1.41。但76%的印度洋MORB數(shù)據(jù)為(La/Sm)N＜1,(La/Sm)N比值變化范圍為0.36～2.01,(La/Sm)N均值為0.85,81%的太平洋MORB數(shù)據(jù)為(La/Sm)N＜1,(La/Sm)N比值變化范圍為0.32～2.96,(La/Sm)N均值為0.82。

Pearce等[21,49]研究表明馬里亞納海槽巖漿由印度洋型MORB地幔補給,相對于太平洋MORB,印度洋MORB富含輕稀土元素,所以會導(dǎo)致馬里亞納海槽玄武巖數(shù)據(jù)(La/Sm)N值的增加。俯沖組分的強烈富集會導(dǎo)致輕稀土含量的顯著增加,造成(La/Sm)N比值增加[50-53],因此,這2種因素的疊加最終會導(dǎo)致(La/Sm)N值增大。

但與馬里亞納海槽相比,馬里亞納島弧距離俯沖帶更近,受俯沖組分影響更大,導(dǎo)致島弧玄武巖的(La/Sm)N比值更大,而圖4所示的計算結(jié)果卻相反,因此排除IC1單獨代表俯沖組分的可能。由于本研究的印度洋MORB同位素數(shù)據(jù)是從篩選后的數(shù)據(jù)中刪去過高或過低同位素比值得到的,因此無法從圖4找到(La/Sm)N比值很大的數(shù)據(jù)。

計算所有篩選后的印度洋MORB數(shù)據(jù)的(La/Sm)N比值,發(fā)現(xiàn)(La/Sm)N比值最大為4.09,與馬里亞納海槽玄武巖(La/Sm)N最大值(4.13)接近。綜上所述,馬里亞納海槽較大的(La/Sm)N值主要是受到印度洋型MORB地幔中富集組分的影響[54-56],因此,IC1可以代表來自印度洋型MORB地幔的富集組分。

圖4 IC1與(La/Sm)N的關(guān)系Fig.4 Scatter plots of IC1 vs.(La/Sm)N

4.2 IC2的起源

Iwamori和Albarède等[25-26,28]對全球大洋玄武巖的研究表明IC2與俯沖帶的含水流體產(chǎn)生過程有關(guān)。在俯沖過程中洋殼脫水形成的含水流體含有較高含量的Rb,Sr,Ba,K,Pb等大離子親石元素(LILE),較低含量的Nb,Hf,Ta,Zr等高場強元素。Ba在熔體和流體都易于被攜帶,而Th只在熔體中易于被攜帶[3,11,25,49,58-59],所以Ba/Th比值可以代表俯沖洋殼脫水形成的含水流體組分。因此,本文利用IC2和Ba/Th比值進行對比,討論IC2的起源。

圖5 IC2與Ba/Th的關(guān)系Fig.5 Scatter plot of IC2 versus Ba/Th

與太平洋MORB和印度洋MORB相比,馬里亞納海槽、馬里亞納島弧、中南勞海盆玄武巖具有較高的Ba/Th比值(圖5),表明馬里亞納海槽受到含水流體的影響。馬里亞納海槽南部(14°42′00″～13°07′56″N)玄武巖比北部(23°15′～18°45′N)玄武巖具有更高的Ba/Th值(南部:200,北部:90),因此,表明海槽南部受到更多俯沖洋殼釋放的含水流體的影響,前人研究表明馬里亞納海槽最南部(14°N以南)的弧后地幔更多地受到板塊產(chǎn)生的流體的改造[60-62],與本文研究結(jié)果一致。除了太平洋MORB以外,其余4個區(qū)域的IC2值和Ba/Th比值呈正相關(guān)。印度洋MORB和馬里亞納海槽北部玄武巖(Ba/Th≈100附近的樣品),從馬里亞納海槽南部(Ba/Th均值為200樣品)到馬里亞納島弧、再到中南勞海盆玄武巖,IC2隨著Ba/Th比值增加而增大,Ba/Th值隨著IC2的增加而增大,表明IC2與俯沖洋殼含水流體組分呈正相關(guān)。Wu等[28]對勞盆地的研究也表明IC2可以指示俯沖板塊釋放的含水流體組分,與本文結(jié)論相同,因此,IC2可以代表俯沖太平洋板塊釋放的含水流體。

4.3 IC3的起源

由圖3b和圖3c可知,IC3可以將島弧-弧后地區(qū)和洋中脊玄武巖區(qū)分,77%的馬里亞納海槽、90%的馬里亞納島弧和91%的中南勞海盆玄武巖的IC3＜-0.5,而太平洋、印度洋MORB的IC3＞-0.5(表2)。與MORB相比,弧后盆地玄武巖的形成會受俯沖作用的影響[49]。前人研究表明在俯沖過程中沉積物中的Th會以熔體形式進入地幔,而Nb元素不易于在熔體中遷移[49,20,65],因此,地球化學(xué)上通常利用Th/Nb指示俯沖沉積物[3,63-64]。為了討論IC3的起源,我們試圖將IC3與Th/Nb比值進行對比,進而判斷IC3的起源。

圖6 IC3與Th/Nb的關(guān)系Fig.6 Scatter plot of IC3 versus Th/Nb

本研究計算得到的馬里亞納海槽玄武巖的Th/Nb比值為0.07～1.10,均值為0.31;馬里亞納島弧玄武巖的Th/Nb比值為0.06～1.17,均值為0.53。而印度洋MORB和太平洋MORB的分布范圍相似,都分布在Th/Nb＜0.1處,均值分別為0.071和0.067,中南勞海盆玄武巖Th/Nb比值變化范圍則較小(0.1～1.2),均值為0.27。因此,與太平洋和印度洋MORB相比,馬里亞納海槽、馬里亞納島弧、中南勞海盆玄武巖的Th/Nb比值較高。而對馬里亞納海槽玄武巖的研究表明[16,66-67],俯沖沉積物對海槽玄武巖形成會產(chǎn)生影響,進入弧后地幔的俯沖沉積物會導(dǎo)致馬里亞納海槽玄武巖具有更高的Ba/Nb和Th/Nb比值[56]。此外,圖6表明,除太平洋MORB以外,其他4個區(qū)域的IC3與Th/Nb呈明顯的負(fù)相關(guān),這4個區(qū)域Th/Nb比值隨著IC3的減小而增大。根據(jù)以上推測,IC3可能指示俯沖沉積物。

獨立成分分析方法得出的每個IC必須是相互獨立的,所以IC2和IC3不能同時代表與現(xiàn)代俯沖相關(guān)的地質(zhì)過程。前人研究表明馬里亞納海槽玄武巖具有MORB地幔、EMⅡ地幔(Ⅱ型富集地幔端元)的混合特征[15],Willbold和Stracke[68]對洋島玄武巖的同位素比值和微量元素比值的研究表明,具有EMⅠ、EMⅡ的特征的富集組分可能是與再循環(huán)的陸源沉積物或陸殼相關(guān),因此,IC3可能與再循環(huán)的俯沖沉積物相關(guān)。Iwamori和Nakamura[27]關(guān)于大洋玄武巖的研究中也提到,IC3的地理分布與進入地幔再循環(huán)系統(tǒng)之前的大陸成分不完全混合相關(guān),Wu等[28]對勞盆地的研究也提出IC3可能代表再循環(huán)的俯沖沉積物熔體。因此,我們認(rèn)為IC3可能同樣指示再循環(huán)的俯沖沉積物熔體。

4.4 ICs的空間分布

馬里亞納海槽玄武巖的IC1值在緯度和經(jīng)度方向都表現(xiàn)出明顯的變化(圖7a):IC1具有從海槽北部到南部逐漸變小的趨勢,從西部到東部也呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢。從整體上看,IC2值由海槽北部至南部呈增大的趨勢,但表現(xiàn)出一定分段性。在海槽北部,(24°～21°N),IC2呈現(xiàn)由北向南增大的趨勢,在21°N達到最大值;在海槽中部,從20°N向南,繼續(xù)增大(圖7b)。IC3值則從北部到南部數(shù)據(jù)整體都呈變大的趨勢(圖7c)。在隨經(jīng)度變化的區(qū)域分布上,IC2值在海槽區(qū)域內(nèi)無明顯的變化規(guī)律,但IC3值表現(xiàn)出從西部到東部增大的趨勢(圖7b和7c)。

圖7 馬里亞納海槽IC1,IC2,IC3的區(qū)域分布Fig.7 Regional distribution of IC1,IC2,IC3 in Mariana Trough

前人對于馬里亞納海槽玄武巖地幔源區(qū)的爭議很大[21-23],我們通過IC1的比值大小和空間分布來探討馬里亞納海槽玄武巖地幔源區(qū)屬性。綜上,IC1可以用來代表來自印度洋型MORB地幔的富集組分,IC1值越大表明海槽的地幔源區(qū)受到來自印度洋型MORB地幔中的富集組分影響越大。根據(jù)圖7a可知,IC1隨緯度的變化特征,馬里亞納海槽的北部比南部受到更多印度洋型MORB地幔富集組分的影響,表明印度洋型MORB地?？赡軓谋辈恐脫Q太平洋型MORB地幔,這與Hickey-Vargas[69]和Straub等[70]的研究結(jié)果一致。Ribeiro等[8]的研究表明馬里亞納海槽南部(14°～12°N)玄武巖也具有太平洋型MORB地幔的特征,提出了馬里亞納海槽南部的巖漿可能由印度洋型MORB地幔和太平洋型MORB地幔共同補給的觀點,但由于ICA數(shù)據(jù)分布只能說明受IC影響的變化趨勢而無法確定IC的邊界[28],因此無法對該項結(jié)論進行討論。由于馬里亞納海槽的新月形狀,在海槽北部和中部區(qū)域(24°～17°N),數(shù)據(jù)采集位置隨經(jīng)度由西至東的分布,實際對應(yīng)了其緯度上由北向南的分布,因此IC1值隨經(jīng)度的變化沒有實際的地質(zhì)意義。

IC2可以指示太平洋板塊釋放的含水流體組分,IC2值越大,表明地幔源區(qū)受到俯沖流體的影響越大;而IC3可以代表再循環(huán)俯沖沉積物熔體,IC3值越大,表明地幔源區(qū)受到再循環(huán)沉積物熔體的影響越小。因此,根據(jù)IC2和IC3的區(qū)域分布,可判別俯沖組分(含水流體和俯沖沉積物熔體)對馬里亞納海槽地幔源區(qū)的影響程度。根據(jù)圖7b所示,盡管IC2值以21°～20°N為界限,表現(xiàn)出一定的分段性,但從整體上看,IC2均值仍具有從海槽北部(24°～21°N)至中部(20°～17°N)增大的趨勢,這表明海槽中部地幔源區(qū)可能受到更多俯沖流體的影響。而IC3值則從北部到中部數(shù)據(jù)整體都呈變大的趨勢,表明海槽的北部受到再循環(huán)沉積物熔體的影響較大(圖7c)。Ikeda等[8]對馬里亞納海槽玄武巖研究表明,在中央地塹位置(21°00′～19°42′N),玄武巖以受沉積物熔體影響為主;而在19°42′N以南的擴張脊段,玄武巖以受含水流體影響為主,與本研究結(jié)果一致。盡管IC3值呈現(xiàn)從西部到東部增大的趨勢,但由于在海槽北部和中部區(qū)域(24°～17°N)的擴張中心距離活動島弧火山前緣的變化并不明顯,因此也只是對應(yīng)IC3隨緯度的分布,沒有實際的地質(zhì)意義。

此外,在海槽南部區(qū)域(15°～13°N),IC2的值分布范圍較大,與海槽的北部和中部相比沒有明顯的變化;而IC3的數(shù)值相較于其他區(qū)間的均值處于中值處,因此,關(guān)于海槽南部受俯沖組分的影響無法進行討論。但Pearce等[3]認(rèn)為來自南部馬里亞納海槽玄武巖明顯受到淺俯沖組分(即俯沖流體)的影響;Ishibashi等[71]和Ikehata等[72]也發(fā)現(xiàn)馬里亞納海槽南部玄武巖的具有富集大離子親石元素,而虧損高場強元素(Nb,Ta)的特征表明馬里亞納海槽南部玄武巖可能受到更多板塊含水流體的影響。

因此,根據(jù)3個IC在海槽內(nèi)的空間分布可知:1)馬里亞納海槽北部比南部受到更多印度洋型MORB地幔富集組分的影響,表明印度洋型MORB地幔可能從北部置換太平洋型MORB地幔;2)海槽北部地幔源區(qū)受到再循環(huán)沉積物熔體的影響較大,而中部和南部地幔源區(qū)可能受到更多俯沖流體的影響。

5 結(jié) 論

利用獨立成分分析方法,研究太平洋洋中脊、印度洋洋中脊、馬里亞納海槽、馬里亞納島弧、中南勞盆地的600組玄武巖Sr-Nd-Pb同位素數(shù)據(jù),提取出3個獨立成分IC1,IC2和IC3,并得出以下結(jié)論:

1)IC1將馬里亞納海槽玄武巖(IC1＞0)與太平洋MORB以及馬里亞納島弧玄武巖(IC1＜0)區(qū)分,并與(La/Sm)N比值呈正相關(guān),IC1代表印度洋型MORB地幔的富集組分。

2)IC2將馬里亞納海槽玄武巖、馬里亞納島弧玄武巖(IC2＜0)與其他3組(IC2＞0)區(qū)分,并與Ba/Th比值呈正相關(guān),IC2可以指示現(xiàn)代太平洋板塊俯沖過程產(chǎn)生的含水流體,馬里亞納海槽南部玄武巖比北部玄武巖受到更多含水流體的影響。

3)IC3將馬里亞納海槽玄武巖、馬里亞納島弧玄武巖、中南勞海盆(IC3＜-0.5)與洋中脊區(qū)域(IC3＞-0.5)區(qū)分,并與Th/Nb比值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,IC3可能指示再循環(huán)俯沖沉積物。

4)借助ICs的比值大小和空間分布,我們認(rèn)為馬里亞納海槽北部地幔源區(qū)受到更多印度洋型MORB地幔富集組分的影響,表明印度洋型MORB地?？赡軓谋辈恐脫Q太平洋型MORB地幔。海槽北部地幔源區(qū)受到更多再循環(huán)俯沖沉積物熔體的影響,而海槽中部和南部則受到太平洋板塊釋放的含水流體影響較大。

相對傳統(tǒng)地球化學(xué)方法,獨立成分分析具有包含更多數(shù)據(jù)信息、可以揭示獨立地質(zhì)過程的優(yōu)勢。利用Sr-Nd-Pb同位素比值提出馬里亞納海槽地幔源區(qū)特征的3個主要影響因素,但也受到數(shù)據(jù)量和IC影響范圍界定的局限。例如,馬里亞納海槽17°N～15°N和13°N以南樣品數(shù)據(jù)的空白導(dǎo)致獨立成分分析無法開展。雖然提出馬里亞納海槽北部受再循環(huán)俯沖沉積物熔體影響最大,但無法判斷熔體開始影響海槽玄武巖的區(qū)域。