西太平洋弧后盆地火山巖中熔體包裹體研究進展

李曉輝，楊慧心，曾志剛,4

1. 中國科學院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，青島 266071

2. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，青島 266071

3. 中國科學院海洋大科學研究中心，青島 266071

4. 中國科學院大學，北京 100049

硅酸鹽熔體包裹體（Silicate melt inclusion）是在高溫高壓環(huán)境下被礦物斑晶包裹的硅酸鹽液滴[1-2]，在火山巖（尤其是基性巖）斑晶中廣泛發(fā)育[3]（圖1）。按照被寄主礦物捕獲的時間順序和形成方式的差異，硅酸鹽熔體包裹體可分為原生和次生兩種[1,3-4]。斑晶礦物在結(jié)晶的過程中可捕獲周圍的巖漿熔體并進一步演化為原生熔體包裹體[1]，這些被捕獲的巖漿液滴可以很好地指示寄主斑晶礦物形成時的物理化學條件及巖漿熔體的地球化學組成；次生熔體包裹體在寄主礦物結(jié)晶之后形成，與后期巖漿熔體的充填或交代相關[1]，指示了寄主礦物結(jié)晶之后的巖漿組成特征。本文重點介紹原生熔體包裹體在反演原始熔體組成及巖漿演化過程中的重要作用，以下簡稱“熔體包裹體”。

利用熔體包裹體可以很好地確定地幔屬性、巖漿物理化學狀態(tài)等巖漿源區(qū)信息，識別分離結(jié)晶、同化混染等巖漿演化過程[1,3,6-11]。就目前火山巖研究而言，對巖漿源區(qū)組成的識別及對不同巖漿演化過程的判斷還主要建立在全巖地球化學數(shù)據(jù)應用的基礎上，而全巖僅僅是巖漿形成至噴出地表且經(jīng)歷了一系列復雜巖漿過程后的最終表現(xiàn)形式，代表的是一種“混合”成分，在一定程度上掩蓋了可能存在的異常熔體組分及原始巖漿的成分特征[3,10,12-14]。相反，熔體包裹體受到寄主礦物的保護，一些后期巖漿作用（蝕變、去氣、同化、混染、結(jié)晶分異等）[4,7,15]對熔體包裹體成分的改造有限，例如在巖漿體系內(nèi)被早期結(jié)晶礦物橄欖石捕獲的熔體包裹體往往保留了比寄主全巖更加原始的巖漿成分，因而被大量的應用于反演巖漿演化、地幔交代、部分熔融等早期巖漿作用過程中[3,6-9,12,15-19]。熔體包裹體的特殊形成條件及區(qū)別于全巖研究的獨特優(yōu)勢，使其成為全面系統(tǒng)研究原始巖漿組成、探討巖漿演化過程的不可多得的有力工具[5,13,19-21]。

圖1 沖繩海槽火山巖橄欖石內(nèi)代表性熔體包裹體鏡下特征[5]a.玄武巖內(nèi)熔體包裹體，b.安山巖內(nèi)熔體包裹體。Fig.1 Representative photomicrographs of olivine-hosted melt inclusions in Okinawa Trough basalts[5]a. melt inclusions in basalt, b. melt inclusions in andesite.

俯沖帶是地球物質(zhì)運移及循環(huán)的重要區(qū)域，也是地殼及俯沖物質(zhì)輸入地幔的關鍵場所[22-28]?；『笈璧刈鳛闇?弧-盆俯沖體系的組成單元之一，對認識俯沖帶區(qū)域巖漿源區(qū)物質(zhì)組成及來源、明確俯沖作用下地球物質(zhì)循環(huán)途徑意義重大。西太平洋發(fā)育有全球約75%的弧后盆地，涵蓋了從成熟的洋內(nèi)（如馬里亞納海槽、勞海盆、北斐濟海盆）到新生的陸緣（如沖繩海槽）等不同基底環(huán)境和發(fā)展階段的弧后盆地，是認識弧后盆地形成及演化的理想?yún)^(qū)域。西太平洋弧后盆地巖漿地幔源區(qū)普遍存在Dupal異常[29]，而這種地幔異常是西太平洋地幔固有特征還是受到板片俯沖物質(zhì)混染的影響，目前還不明確[29-31]。大量研究表明西太平洋弧后盆地的巖漿演化受到了板片俯沖物質(zhì)的影響，而俯沖帶系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，即俯沖物質(zhì)的輸入（俯沖板片、沉積物等）及輸出（島弧及弧后巖漿作用）一直是國際研究的熱點[28,32-33]。另外，由于復雜的俯沖構(gòu)造環(huán)境，西太平洋不同弧后盆地的地幔源區(qū)均存在強烈的不均一性[34-37]，這種不均一的源區(qū)地幔是在板塊俯沖早期就已改造[35,38]還是受到了俯沖作用多階段的持續(xù)交代[39]還需要進一步探討[31]。西太平洋弧后盆地還發(fā)育有強烈的海底熱液活動，是海底熱液硫化物產(chǎn)出的重要區(qū)域，尤其是那些年輕的弧后盆地，如馬里亞納海槽、沖繩海槽等[40]。熔體包裹體可對源區(qū)巖漿物質(zhì)組成進行很好的指示，可反映弧后盆地地幔組成特征[1,3,6-11]。同時，熔體包裹體保留了母巖漿脫氣前成礦金屬元素的濃度，是研究巖漿作用對熱液活動物質(zhì)貢獻的有力工具[41-43]。因此，本文將以西太平洋典型弧后盆地（馬里亞納海槽、馬努斯海盆、勞海盆、北斐濟海盆、沖繩海槽）為主要研究區(qū)域（圖2），綜述熔體包裹體研究對充分認識弧后盆地巖漿作用過程的貢獻。

圖2 西太平洋典型弧后盆地位置圖Fig.2 The location map of typical back-arc basins in the western Pacific

1 熔體包裹體的研究領域及主要測試方法

1.1 熔體包裹體的主要研究領域

熔體包裹體最早由Sorby[2]提及，認為熔體包裹體具有與流體包裹體類似的形成過程。Roedder[1]的相關研究使熔體包裹體在地球科學領域得到進一步重視，并逐步成為解決關鍵科學問題的重要途徑。熔體包裹體的重點研究領域及應用范圍大致可歸納為以下幾點：

（1）代表原始巖漿初始狀態(tài)的組成特征。主要針對基性礦物中的熔體包裹體，相比于火山巖全巖或火山玻璃，基性斑晶礦物內(nèi)的熔體包裹體受到寄主礦物的保護，能較好地規(guī)避后期巖漿作用及蝕變對原始成分的改造，進而很好地反映出巖漿初始狀態(tài)的組成特征[17,21,44-46]。例如，Ren等[44]對夏威夷火山巖橄欖石內(nèi)熔體包裹體進行了系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)熔體包裹體明顯不同于全巖組成，表現(xiàn)出顯著不均一性，從而提出了全新的成分不均一性地幔柱模型。

（2）提供原始熔體中的揮發(fā)組分信息。在高溫高壓條件下被捕獲的熔體包裹體可以得到寄主礦物的保護而免受蝕變及去氣過程的影響，類似于對原始巖漿初始狀態(tài)成分特征的指示，熔體包裹體可以最大限度地記錄原始熔體的揮發(fā)份組成特征[3,47-50]。因此，熔體包裹體研究在刻畫原始熔體揮發(fā)份組成方面得到了普遍應用。例如，Saal等[49]對洋中脊玄武巖中橄欖石內(nèi)熔體包裹體進行了揮發(fā)份（CO2、H2O、S、Cl、F等）含量分析，評估了虧損上地幔的揮發(fā)份組成，證明地幔的揮發(fā)份組成具有明顯不均一性。

（3）識別巖漿混合過程中的兩種或多種混合熔體成分。火山巖在形成過程中可能發(fā)生多種成分的巖漿混合，這些混合熔體被礦物斑晶捕獲后形成成分多樣的熔體包裹體。相比于全巖“平均化”的物質(zhì)組成，受寄主礦物保護的熔體包裹體可以很好地反演巖漿同化混染和巖漿混合等過程，進而揭露復雜巖漿組成特征[5,51-54]。例如，Kent等[53]對俯沖帶安山巖內(nèi)熔體包裹體進行了成分分析，利用這種被捕獲的熔體成分代表安山質(zhì)熔體的組成，證明安山質(zhì)巖漿的產(chǎn)生與鎂鐵質(zhì)巖漿在長英質(zhì)巖漿房內(nèi)的巖漿再充填事件關系密切。

（4）研究元素遷移和熔體交代。熔體交代現(xiàn)象在巖漿演化過程中廣泛存在，巖漿發(fā)生交代作用時被斑晶礦物捕獲的熔體包裹體可以很好地反映出交代熔體的成分特征[47,55-58]。例如，Schiavi等[56]檢測了意大利南部斯特隆博利島橄欖石內(nèi)熔體包裹體的元素和同位素（Pb-B-Li）組成，元素及同位素與全巖成分相比具有較大的變化范圍，表明巖漿源區(qū)在小尺度范圍內(nèi)成分不均一，同時巖漿源區(qū)受到了俯沖板片物質(zhì)及含水流體的交代作用。

（5）應用于礦床成因的研究。熔-流體包裹體作為一類組成獨特的包裹體，在花崗質(zhì)巖石及偉晶巖中大量存在，被廣泛用于不同地質(zhì)條件下性質(zhì)差異的熔體和流體間發(fā)生的不混溶作用以及不同成分熔體相中不同金屬元素間可能存在的不混溶過程的研究[59-63]。例如，Kamenetsky等[60]對堪察加半島橄欖石內(nèi)的硅質(zhì)和硫化物包裹體進行了元素組成研究，證明硅-硫不混溶熔體可在島弧火山巖內(nèi)存在。熔體包裹體中硫化物和硫酸鹽并存支持了巖漿中硫化物的氧化與相關富硫流體的生成有關，并據(jù)此推測此類流體會積累硫化物熔體分解時釋放的金屬，促使淺成熱液礦化作用的發(fā)生。

（6）研究元素在熔體和礦物間的分配系數(shù)。寄主礦物和熔體包裹體之間有較大的接觸面積，巖漿演化過程中元素在熔體和寄主礦物間較容易發(fā)生平衡，方便對特征元素成分及其地球化學行為進行檢測[7,64-65]。例如，Severs等[65]利用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LA-ICP-MS）對熔體包裹體進行了微量元素（Sc、Ti、V、Mn、Sr、Y、Zr、Nb、Ba、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Yb、Hf和 Pb）分析，探討了不同元素在英安質(zhì)硅酸鹽熔體和單礦物間的分配系數(shù)。除Sr外，其余元素在斜長石內(nèi)表現(xiàn)出不相容特征，除Mn外其余元素在斜方輝石內(nèi)表現(xiàn)出不相容特征，在單斜輝石中，Sc、V、Mn具有相容性，而Y、Ti、HREE和MREE表現(xiàn)出輕微的不相容特征。研究表明這種原位的熔體包裹體-礦物元素分析方法是檢測元素分配系數(shù)的有效手段。

目前，熔體包裹體研究在國際上已處于蓬勃發(fā)展階段。但是，因為熔體包裹體的復雜成因以及分析測試手段的制約，國內(nèi)對熔體包裹體的詳細研究及其在地學領域的應用還處于起步階段，與國際水平相比差距明顯[20]。2011年，張春來等[66]對輝石斑晶內(nèi)的熔體包裹體微量元素的檢測是國內(nèi)科研人員借助LA-ICP-MS測試技術(shù)對熔體包裹體進行的開創(chuàng)性研究，打破了傳統(tǒng)上熔體包裹體高溫熱臺測溫及主量元素分析的局限[67]，為國內(nèi)熔體包裹體在地球化學領域的進一步發(fā)展提供了借鑒。近年來，中國科學院廣州地球化學研究所[20]、中國科學技術(shù)大學[68]等科研團隊在熔體包裹體測試技術(shù)開發(fā)及應用方面做了大量工作，例如，利用大型離子探針（SIMS）和激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LAICP-MS）快速便捷地分析熔體包裹體微量元素[69-70]，利用激光剝蝕多接收器電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LA-MC-ICP-MS）對熔體包裹體進行精確Pb同位素分析[71-72]，相繼開展了海南島新生代玄武巖[73]、漢諾壩新生代玄武巖[74]、華北克拉通地區(qū)東南緣中生代玄武巖[75-78]、峨眉山大火成巖省[44]等一系列火山巖內(nèi)熔體包裹體研究工作，這些工作無疑極大推動了熔體包裹體在國內(nèi)研究的發(fā)展。將來，隨著對熔體包裹體研究程度的重視，測試技術(shù)的革新，相信國內(nèi)熔體包裹體的研究工作會快速興起。

1.2 熔體包裹體的主要測試方法

在進行熔體包裹體分析前，需要對熔體包裹體進行一系列前處理工作。熔體包裹體的前處理工作較為精細、繁瑣，主要包括：①將巖石磨制成可進行鏡下觀察的薄片并進行巖相學觀察。確定熔體包裹體的大小、類型、結(jié)晶狀態(tài)、氣泡數(shù)量等，與可能存在的礦物包裹體（如尖晶石，圖1a）區(qū)分，這是做好熔體包裹體研究的基礎。②加熱熔體包裹體使其達到均一化狀態(tài)。熔體包裹體形成之后，內(nèi)部的硅酸鹽熔體往往會發(fā)生結(jié)晶分異，因此在分析熔體包裹體之前要加熱熔體包裹體，使其成分均一[20,79]，盡可能還原熔體包裹體被捕獲時的狀態(tài)。顯微熱臺和高溫熔爐（馬弗爐）是進行熔體包裹體加熱處理的常用設備[1,4,20-21]。③制備熔體包裹體礦物靶。在制靶過程中需要將寄主礦物拋光并將熔體包裹體磨至表面，以滿足指定儀器的測試分析要求。

熔體包裹體組成分析是利用熔體包裹體解決科學問題的主要途徑，也是進行熔體包裹體研究的基礎。隨著對熔體包裹體研究的重視以及近年來測試方法的開發(fā)和利用，熔體包裹體的成分分析取得了極大的進步。前人對熔體包裹體的研究方法有較多綜述[20,67-68,71,80-85]，本文只作簡要對比介紹。熔體包裹體的成分分析可以大致分為對均一玻璃中水及揮發(fā)份的定性及定量分析和對元素含量及同位素比值的定量分析[67,80,83]。對水及揮發(fā)份的分析目前的主流方法有傅里葉變換紅外吸收光譜儀（FTIR）對H2O及CO2等組成及含量的測試，電子探針（EMPA）對少量揮發(fā)份（如 F、CI、S 等）的粗略分析及離子探針（SIMS）對揮發(fā)份組成的較高精度分析。在元素及同位素分析方面，電子探針（EMPA）可對熔體包裹體進行主量元素分析，激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LA-ICP-MS）和離子探針（SIMS）可對熔體包裹體進行微量元素分析，而同位素的分析主要用到了激光剝蝕多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LA-MC-ICP-MS）和離子探針（SIMS）。

2 熔體包裹體在西太平洋弧后盆地火山巖中的應用

2.1 巖漿源區(qū)組成及火山巖成因研究

熔體包裹體提供了母巖漿成分和演化的重要信息，是檢測弧后盆地地幔源區(qū)組成的理想工具。在沖繩海槽區(qū)域，現(xiàn)有的全巖數(shù)據(jù)表明區(qū)域內(nèi)存在多種成分的軟流圈地幔，具有明顯的地幔不均一性[5,86-88]，且?guī)r漿源區(qū)受到板塊俯沖作用影響[5,89-96]，玄武質(zhì)巖漿的分離結(jié)晶是區(qū)域內(nèi)巖漿演化的主要方式[93-94,97-98]，同時可能受到了部分陸殼物質(zhì)的混染[90,95]。沖繩海槽浮巖中輝石和斜長石內(nèi)玻璃質(zhì)熔體包裹體主量元素組成顯示不同熔體包裹體代表的原始巖漿具有同源性，熔體包裹體成分的差異主要是由不同階段的巖漿結(jié)晶演化或不同礦物結(jié)晶引起的[99]。隨著分析技術(shù)的進步，Li等[5,92,100]對沖繩海槽火山巖橄欖石內(nèi)熔體包裹體進行了系統(tǒng)的元素及Pb同位素分析（圖1b）。熔體包裹體中不相容元素比值（Th/Ce、Th/Sm等），正Pb異常，負Nb、Ta、Ti異常及有機烴類（CnHm）的存在表明俯沖沉積組分在巖漿源區(qū)的加入[92,100]。此外，研究發(fā)現(xiàn)在單一火山巖，甚至是在單個橄欖石中存在高207Pb/206Pb（＞0.865）和低207Pb/206Pb（＜0.865）兩種同位素組成的熔體包裹體（圖3），體現(xiàn)出巖漿源區(qū)成分的不均一性[5]?！疤窖蟆毙偷蒯Ｅc來自循環(huán)下地殼的EMI組分以及來自俯沖沉積物的EMII組分混合可以解釋低207Pb/206Pb熔體包裹體的存在，而安山巖中少量高207Pb/206Pb，高 K2O、P2O5、Rb、U 含量，低 Pb和 Cu含量的熔體包裹體則指示了安山質(zhì)巖漿的產(chǎn)生受到不同元素和同位素組成熔體的混合，證明了不同性質(zhì)巖漿的混合在沖繩海槽區(qū)域普遍存在[5]。相比之下，傳統(tǒng)全巖數(shù)據(jù)對不同類型巖漿的混合缺乏很好的識別。

圖3 沖繩海槽中部玄武巖和安山巖橄欖石內(nèi)熔體包裹體Pb同位素組成[5]Fig.3 Pb isotopic compositions in olivine-hosted melt inclusions from middle Okinawa Trough basalts and andesites[5]

在洋內(nèi)弧后盆地勞海盆的研究中，傳統(tǒng)全巖地球化學數(shù)據(jù)顯示在海盆尺度內(nèi)存在明顯的源區(qū)成分不均一性[33,101-102]，越靠近湯加弧，巖漿受俯沖組分的影響程度越高[38,101,103]。此外，地殼混染和結(jié)晶分異作用也在巖漿演化過程中扮演了重要角色[104-107]。對勞海盆瓦路法脊（Valu Fa Ridge）軸部海山小尺度范圍內(nèi)熔體包裹體研究發(fā)現(xiàn)巖漿源區(qū)存在兩種組分差異明顯的原始熔體，一種熔體表現(xiàn)出富H2O（約 2.5 wt%）、高 CaO（約 14 wt%）、低 Al2O3（約8 wt%）特征，且普遍存在于東部和西部海山，另一種熔體具有低CaO特點，僅出現(xiàn)在西部海山[108]，這表明不僅在海盆的大尺度上，在單個海山的小尺度上源區(qū)巖漿也具有明顯成分不均一性。熔體包裹體的微量元素特征表明巖漿源區(qū)存在富LILE、富Pb和富Cl的由俯沖洋殼在火山弧前脫水產(chǎn)生的超臨界流體[108]。玄武巖玻璃和熔體包裹體的Cl同位素分析結(jié)果顯示在受俯沖影響程度較低的中部和東部擴張中心δ37Cl接近于0，Cl主要來自于淺部陸殼的海水同化過程[109]，而位于三聯(lián)點處的低Cl玻璃具有負δ37Cl值，明顯低于虧損地幔值，指示源區(qū)受到了來自蝕變洋殼的流體、沉積物和/或蛇紋石化地幔楔等物質(zhì)的影響[109]。此外，勞海盆和馬努斯海盆橄欖石內(nèi)熔體包裹體研究發(fā)現(xiàn)未去氣的玻璃質(zhì)熔體具有高 Re含量（高達 2×10-3μg/g），明顯高于傳統(tǒng)上全巖研究得到的陸殼Re的含量（（0.2～0.4）×10-3μg/g）[110]（圖 4），其成因并非巖漿分異的結(jié)果，而可能是富Re的俯沖板片流體在巖漿源區(qū)的加入[111]。

圖4 馬努斯海盆橄欖石內(nèi)熔體包裹體Re與Yb含量及Yb/Re比值相關圖[110]Fig.4 Re abundance versus Yb abundance and Re abundance versus Yb/Re ratios in olivine-hosted melt inclusions in Manus basin[110]

北斐濟海盆位于太平洋西南部（圖2），是現(xiàn)今僅存的高成熟度的活動邊緣海盆[112-113]。全巖微量元素和同位素組成特征顯示海盆的巖漿受富集的OIB型地幔和虧損的N-MORB型地幔物質(zhì)的混合，并表現(xiàn)出明顯的成分不均一性[37]。北斐濟海盆坎達武（Kadavu）群島高Mg埃達克巖橄欖石內(nèi)熔體包裹體數(shù)據(jù)顯示區(qū)域內(nèi)存在一個復雜開放系統(tǒng)下形成的埃達克質(zhì)巖漿系列，包括了地幔來源的低SiO2、高Mg埃達克質(zhì)巖漿和高SiO2、低Mg埃達克質(zhì)巖漿及兩者之間的混合成分[114]（圖5），這也表明區(qū)域內(nèi)存在成分特征差異的巖漿物質(zhì)來源。熔體包裹體微量元素結(jié)合全巖地球化學數(shù)據(jù)研究表明，北斐濟海盆內(nèi)玄粗巖主要來自交代的弧下巖石圈地幔低程度部分熔融，同時受到了俯沖物質(zhì)的影響[115]。

馬里亞納海槽火山巖微量元素及同位素組成特征均顯示馬里亞納海槽的火山巖起源于受俯沖物質(zhì)影響的地幔源區(qū)[35,116-120]，弧后擴張脊的不同部位，玄武巖的地球化學組成不同[34-36]，表明地幔源區(qū)組成存在差異。馬努斯海盆擴張中心的玄武質(zhì)巖漿地球化學特征與MORB熔巖接近[104]，但也表現(xiàn)出受一定程度俯沖組分影響的特征[121-122]。這兩個弧后盆地關于巖漿源區(qū)組成及火山巖成因研究主要基于全巖地球化學展開，而熔體包裹體的研究主要體現(xiàn)在對巖漿揮發(fā)份及金屬元素組成上，將在后文作主要概述。

圖5 斐濟海盆坎達武（Kadavu）群島熔巖及熔體包裹體SiO2 （wt%）與K2O （wt%）、TiO2 （wt%）相關圖[114]Fig.5 K2O （wt%） and TiO2 （wt%） vs. SiO2 （wt%） in laves and olivine-hosted melt inclusions from Kadavu Island Group in Fiji basin[114]

2.2 揮發(fā)份組成研究

巖漿的演化受揮發(fā)份（H2O、CO2、F、Cl、S等）組成的影響顯著，俯沖過程中板片發(fā)生脫水可導致島弧及弧后盆地巖漿活動的產(chǎn)生。對揮發(fā)份在巖漿體系中的地球化學行為研究是了解俯沖帶巖漿形成、運移、儲存和噴發(fā)的關鍵。對此，Newman等[123]檢測了馬里亞納海槽火山巖玻璃和斑晶內(nèi)熔體包裹體的H2O和CO2成分，玻璃的揮發(fā)份含量變化較大（H2O 為 0.2～2.8 wt%，CO2為 0～300 μg/g），斑晶內(nèi)熔體包裹體H2O的含量與寄主玻璃類似，但其內(nèi)CO2的含量可以高達875 μg/g。馬里亞納海槽玻璃內(nèi)H2O和CO2的含量呈負相關關系（圖6），表明巖漿在噴發(fā)的壓力下其內(nèi)部CO2-H2O氣體是飽和的，這些巖漿在抬升和噴發(fā)過程中的去氣作用導致CO2明顯丟失，而對噴發(fā)前H2O含量的影響較小[123]。Parman等[124]通過結(jié)晶分餾實驗分析了馬里亞納多個海島和一個海山橄欖石內(nèi)熔體包裹體H2O含量，發(fā)現(xiàn)馬里亞納島弧熔巖噴發(fā)前H2O含量（2～3 wt%）相對穩(wěn)定，與馬里亞納海槽熔巖H2O含量相似。高H2O含量的海山貫穿馬里亞納島弧分布，但與俯沖參數(shù)（俯沖角度、傾斜度等）沒有相關性，說明馬里亞納弧下地幔中的揮發(fā)份通量在本質(zhì)上就是不均勻的[124]。

馬努斯海盆熔體包裹體富含揮發(fā)份和流體活動性元素的特征表明板塊俯沖對巖漿成分的影響強烈[41]。東馬努斯海盆PACMANUS熱液區(qū)火山巖內(nèi)熔體包裹體普遍具有1～2個氣泡，且氣泡的體積占比較大（＞5.5 vol%），在輝石和橄欖石斑晶中氣泡比例更高（80～＞95 vol%），表明氣泡是由揮發(fā)物的劇烈釋放或巖漿房內(nèi)的巖漿沸騰形成的[125]。熔體包裹體中的高H2O含量（1.0～2.5 wt%）、高Cl含量（0.45 wt%）等富揮發(fā)份組成特征，說明巖漿房內(nèi)揮發(fā)份飽和[126]。S、Cl、F與H2O具有正相關性（圖7），暗示這些揮發(fā)份來自于巖漿的結(jié)晶脫氣及熔體出溶，且?guī)r漿在結(jié)晶過程中會丟失高達65 vol%的揮發(fā)組分[125]。此外，Sun等[127]對馬努斯海盆熔體包裹體分析發(fā)現(xiàn)Cl與非揮發(fā)性且高度不相容的微量元素具有很好的相關性，說明巖漿內(nèi)Cl并沒有強烈揮發(fā)性且不存在明顯的海水混染，熔巖玻璃中約80%的Cl可能直接來自于俯沖板片流體[127]。

2.3 成礦金屬元素組成研究

現(xiàn)代海底構(gòu)造環(huán)境是許多熱液系統(tǒng)和多金屬硫化物礦床的宿主，金屬元素的運輸和沉淀是通過巖漿過程控制的，例如噴發(fā)前的脫氣和熱液循環(huán)[41]。在特定背景下，成礦金屬的含量取決于其在原始巖漿源區(qū)或其他富集過程中相關金屬的濃度，而熔體包裹體的研究可提供母巖漿中成礦金屬的濃度信息，是研究巖漿作用對熱液活動物質(zhì)貢獻的重要手段[41]。

圖6 馬里亞納海槽火山巖和熔體包裹體H2O-CO2含量圖[123]Fig.6 CO2 versus H2O contents of laves and melt inclusions from the Mariana Trough[123]

圖7 PACMANUS安山巖內(nèi)橄欖石和輝石斑晶中的熔體包裹體內(nèi)H2O含量（wt%）與S、Cl和F（wt%）的關系[125]Fig.7 H2O contents （wt %） vs. S, Cl, and F （wt %） in the glass of melt inclusions in olivine and pyroxene phenocrysts of andesite from PACMANUS[125]

馬努斯海盆中熔體包裹體和基質(zhì)玻璃中成礦金屬類型在不同巖相中有所不同（玄武巖和玄武質(zhì)安山巖為Ni+Cu+Zn+Fe、安山巖中為Cu+Zn+Fe、英安巖中為Cu+Fe、英安質(zhì)流紋巖中為Fe、流紋巖中為 Fe+Zn（+Pb?））（圖 8），表明巖漿流體可能是不同巖相中金屬的主要來源[126]。巖漿流體在淺部巖漿房聚集并沿著構(gòu)造薄弱帶噴出，將為海底熱液系統(tǒng)提供大量的揮發(fā)份和成礦金屬，這種過程可以解釋硫化物煙囪體中Fe、Cu、Zn、Pb的富集，即火山成因的塊狀硫化物礦床中成礦金屬主要來自于巖漿流體[126]。此外，Kamenetsky等[43]在東馬努斯海盆玄武巖橄欖石斑晶（Fo82-92）內(nèi)的熔融包裹體中發(fā)現(xiàn)Cu含量從玄武巖到英安巖逐漸減少，而Pb含量在英安巖中達到最高，Zn含量在安山巖中最高，并隨結(jié)晶分離作用的進行而降低。分餾的巖漿中Cu含量的降低表明金屬元素進入CO2-H2O流體相中會發(fā)生顯著脫氣反應[43]。巖漿系統(tǒng)中的熱液可以直接攜帶巖漿中的含金屬流體，這些流體是從馬努斯弧后盆地中島弧型巖漿內(nèi)溶解出來，并遷移和濃縮了大量的成礦金屬元素，特別是Cu[43]。隨巖漿演化，熔體包裹體和火山玻璃中Au和Cu的濃度顯著下降，這可能是因為fO2的緩沖作用及S含量的降低，進而增加了Cu-Au氫硫化物絡合物的形成[128]。東馬努斯海盆熔體包裹體的相關研究還指示在淺部巖漿房內(nèi)的結(jié)晶過程中，大量的巖漿流體也會發(fā)生去氣反應，且至少1.7 wt% H2O從巖漿中出溶[126]。該去氣過程可持續(xù)至少5～48 a，結(jié)合黑煙囪2～10 a的壽命，可推測硫化物煙囪生長過程中的成礦金屬主要來自于巖漿流體，即巖漿可以在很長一段時間內(nèi)向熱液系統(tǒng)提供大量成礦金屬和揮發(fā)份，從而在海底形成大量塊狀硫化物礦床[125]。

2.4 熔體包裹體均一溫度研究

熔體包裹體的測溫實驗可以明確熔體包裹體被捕獲時的均一溫度，對熔體產(chǎn)生時巖漿房的溫度狀態(tài)及不同批次巖漿熔體的混合具有較好的指示意義。孫海青等[129]對馬里亞納海槽玄武巖斜長石和橄欖石斑晶中的熔融包裹體進行了鏡下觀察和均一化測溫實驗。結(jié)果顯示熔體包裹體在橄欖石和斜長石斑晶中的均一化溫度分別為1 035～1 100 ℃和1 050～1 145 ℃，反映了礦物結(jié)晶的多期性[129]。類似的，沖繩海槽浮巖中熔體包裹體的測溫結(jié)果和成分數(shù)據(jù)顯示熔體包裹體在長石內(nèi)具有910～1 250 ℃和高于1 250 ℃的均一溫度，表明斜長石在巖漿房內(nèi)經(jīng)歷了兩個階段的演化[130]。

圖8 PACMANUS代表性樣品熔體包裹體中沉積金屬元素變化與代表性巖石的多孔度和SiO2含量有關[126]Fig.8 Variation of metal species in the precipitates in melt inclusions of representative samples from PACMANUS,as related to the vesicularity and SiO2 content of the representative rocks[126]

3 問題與展望

上文簡要總結(jié)了目前國內(nèi)外學者在西太平洋弧后盆地火山巖中熔體包裹體的主要研究工作，盡管研究工作涉及到了源區(qū)地幔不均一性、俯沖組分對巖漿源區(qū)的貢獻、源區(qū)揮發(fā)份組成、巖漿熱液流體來源、巖漿演化過程以及巖漿房的溫度條件等多方面研究，但不同弧后盆地的研究現(xiàn)狀參差不齊。例如，作為典型“洋―洋”俯沖作用代表的馬里亞納俯沖帶，盡管國際上對其火山巖全巖已經(jīng)開展了較全面的工作，但是對海槽內(nèi)熔體包裹體的研究卻寥寥無幾[123,129]，多數(shù)工作還是集中在馬里亞納島弧及弧前區(qū)域。島弧和弧后盆地存在明顯的構(gòu)造差異，對馬里亞納海槽內(nèi)基底火山巖熔體包裹體的研究可使我們明確全巖所顯示的地幔不均一性是在板塊俯沖早期就已改造還是受到后期俯沖過程多階段持續(xù)作用的影響。這可為解決俯沖作用下弧后盆地巖漿物質(zhì)來源及演化過程等科學問題提供重要指示。與此對應的典型“洋-陸”俯沖作用下的沖繩海槽內(nèi)熔體包裹體的研究則主要集中在浮巖、安山巖及玄武質(zhì)安山巖等演化程度較高的火山巖上[5,95,100,130]。由于沖繩海槽發(fā)育于陸殼基底之上，陸殼混染對沖繩海槽不同區(qū)域火山巖巖漿源區(qū)的影響一直存在爭議[88,91-93]，海槽內(nèi)不同區(qū)域基底巖石熔體包裹體的研究可為明確陸殼物質(zhì)對巖漿源區(qū)的貢獻程度提供理論依據(jù)。同樣的，構(gòu)造特征差異的馬努斯海盆、勞海盆及北斐濟海盆內(nèi)熔體包裹體的研究程度也各不相同。在今后的工作中可以對不同弧后盆地火山巖內(nèi)熔體包裹體進行針對性的系統(tǒng)研究，結(jié)合區(qū)域內(nèi)已發(fā)表全巖數(shù)據(jù)，可獲取對基底巖石形成及巖漿演化過程的更全面的認識。此外，可以對多個弧后盆地進行熔體包裹體對比研究，明確不同演化階段及地質(zhì)構(gòu)造特征的弧后盆地巖漿組成對板塊俯沖作用的指示，進一步完善板塊構(gòu)造理論。

經(jīng)過近半個多世紀的發(fā)展，熔體包裹體研究無論是在分析技術(shù)手段方面還是在地球科學應用方面均已取得了長足的進步。熔體包裹體具有全巖研究所無法比擬的優(yōu)勢，是明確原始巖漿組成特征、揭示巖漿源區(qū)地幔屬性、探討巖漿演化過程的重要工具，在地球科學發(fā)展過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用。盡管如此，熔體包裹體的研究還有一些亟待解決的問題。首先，熔體包裹體樣品制備過程復雜，受分析測試儀器的限制，樣品制備需要精確挑選合適的單礦物并將熔體包裹體進行均一化處理，此過程中熔體包裹體可能受外界影響而發(fā)生破裂或者熔融，導致成分改變，需要對其成分進行仔細評估。為了進行精確的成分分析還需要將熔體包裹體拋光打磨至樣品靶表面。這些流程加大了熔體包裹體樣品制備的難度。其次，由于熔體包裹體與寄主礦物接觸，在演化過程中不同元素或者揮發(fā)份與寄主礦物之間可能存在成分交換，使得分析獲得的熔體包裹體數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列復雜過程的校正處理，加大了數(shù)據(jù)解釋的難度及可信度。再次，熔體包裹體標樣的制備比較困難，限制了對熔體包裹體元素、同位素及揮發(fā)份等分析技術(shù)的開發(fā)。最后，由于測試技術(shù)的限制，對熔體包裹體的分析需要熔體包裹體大小及目標元素含量滿足要求，這些都阻礙了熔體包裹體在地球科學不同領域的廣泛應用。未來，需要科研工作者進一步加強新設備、新技術(shù)的研發(fā)，優(yōu)化熔體包裹體的制樣及測試流程，提高熔體包裹體測試分析的精度及準確度，拓寬熔體包裹體的應用領域，有望實現(xiàn)熔體包裹體研究質(zhì)的飛躍。

近年來，國內(nèi)學者在熔體包裹體研究方面已經(jīng)有了較大進步，并取得了可喜的成果，但是眾多研究主要集中在陸地之上，而在與陸地構(gòu)造特征差異明顯的海洋領域，國內(nèi)熔體包裹體研究相對滯后，發(fā)展空間廣闊。未來，在不斷開發(fā)熔體包裹體測試分析手段，提高熔體包裹體元素及同位素測試精度及準確度，完善熔體包裹體測試分析流程的前提下，加大弧后盆地火山巖熔體包裹體研究，有望在俯沖作用下弧后盆地巖漿源區(qū)地幔性質(zhì)及巖漿來源、巖漿活動對弧后盆地熱液過程的物質(zhì)貢獻等重大科學問題上取得突破。希望本文能起到拋磚引玉的作用，提高國內(nèi)學者在海洋地質(zhì)領域熔體包裹體的研究興趣，推動我國海洋地質(zhì)研究的更大進步。