西太平洋雅浦海溝玄武巖成因及其地質(zhì)意義：來自地球化學(xué)和Sr-Nd-Pb 同位素的制約*

田 原 陳 靈 唐立梅 楊文光 高 鵬 劉 倩

（1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 成都 610059；2.自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，自然資源部第二海洋研究所 杭州 310012）

初始島弧形成于俯沖早期階段，被認(rèn)為是繼弧前玄武巖（FAB）、玻安巖噴發(fā)后初次島弧巖漿作用的產(chǎn)物（Reagan et al.，2010；Ishizuka et al.，2011）。伴隨著弧前玄武巖的產(chǎn)生與玻安質(zhì)巖漿活動(dòng)的結(jié)束，初始島弧巖漿作用正式開始。不同于弧前巖漿作用，初始島弧巖漿作用的開始標(biāo)志著地幔從以減壓為主導(dǎo)的熔融轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w添加的含水熔融，熔融區(qū)域也從弧前轉(zhuǎn)移到弧下（Reagan et al.，2010，2017）。初始島弧作為玻安質(zhì)巖漿作用結(jié)束至成熟島弧出現(xiàn)的過渡階段，受俯沖板片脫水組分影響較小，成分與弧前玄武巖類似，同時(shí)具有洋中脊玄武巖（MORB）親和性。島弧下方無法形成較為成熟（厚）的穩(wěn)定地殼，常常因后期構(gòu)造作用被撕裂、埋藏。隨著俯沖板塊俯沖深度的增加，島弧巖漿逐漸由拉斑質(zhì)演化為鈣堿質(zhì)，地殼不斷加厚，發(fā)育成真正的成熟島弧。早期研究表明，馬里亞納島弧南部存在部分未發(fā)育成熟的初始島弧，與北部較為成熟的島弧相比，其巖石圈地殼尚不穩(wěn)定，受俯沖組分影響較小，且空間向北受俯沖組分影響逐步遞增（Ribeiro et al.，2020）。由于缺少現(xiàn)代初始島弧的相關(guān)實(shí)例，導(dǎo)致我們對(duì)初始島弧演變成成熟島弧的過程知之甚少。同時(shí)島弧演化早期形成的巖漿特征與成熟島弧體系的巖漿特征不同，因此對(duì)初始島弧向成熟島弧演化過程的探究將為俯沖帶早期演化以及島弧的形成與演化提供新的線索（Rudnick，1995；Lee et al.，2007；Ribeiro et al.，2020）。

雅浦海溝位于西太平洋，曾是伊豆—小笠原—馬里亞納（IBM）海溝的一部分，后演化成為單獨(dú)的俯沖體系。與IBM 系統(tǒng)相比，雅浦海溝內(nèi)巖漿作用與構(gòu)造演化歷史相對(duì)復(fù)雜；其弧前和島弧巖漿作用過程除受地幔源和俯沖組分影響外，還受卡羅琳洋脊碰撞這一地質(zhì)過程限制。早期研究表明，當(dāng)卡羅琳洋脊與雅浦海溝發(fā)生碰撞時(shí)（30～25 Ma），俯沖活動(dòng)因洋脊的阻礙而停止，這與雅浦島弧火山活動(dòng)停止時(shí)間（始新世—中新世）相吻合（Hawkins and Batiza，1977；McCabe and Uyeda，1983）。但隨后研究發(fā)現(xiàn)，采集于雅浦海溝陸向坡的島弧拉斑玄武巖（11～7 Ma）是由卡羅琳洋脊俯沖作用導(dǎo)致弧前上地幔淺層熔融形成的（Beccaluva et al.，1980，1986；Crawford et al.，1986）。這說明雅浦海溝內(nèi)島弧巖漿作用并沒有因洋脊的碰撞而停止，反而因洋脊的碰撞誘發(fā)新一期的初始島弧巖漿作用。

本文對(duì)采集于雅浦海溝南北兩個(gè)區(qū)域的玄武巖樣品進(jìn)行了詳細(xì)的主、微量元素，Sr-Nd-Pb 同位素分析，提取了其地球化學(xué)特征所記錄的巖漿演化信息，以探明在卡羅琳板塊俯沖到菲律賓海板塊之下這一復(fù)雜地質(zhì)過程中，雅浦海溝的島弧演化過程，對(duì)了解俯沖帶早期階段及島弧的形成和演化提供新的線索。

1 雅浦海溝地質(zhì)概況

雅浦海溝位于菲律賓海板塊南部，與伊豆—小笠原海溝、馬里亞納海溝和帕勞海溝共同構(gòu)成菲律賓海板塊的東部邊界（Sato et al.，1997；Fujiwara et al.，2000；Ohara et al.，2002），北部（11°07′N）與馬里亞納海溝近乎垂直相交，北雅浦?jǐn)嘌拢∟YE）在兩海溝交匯處向北延伸，斷崖地形高差達(dá)～1 500 m（圖1）。Fujiwara et al.（2000）根據(jù)海溝水深及地形特點(diǎn)以8°26′N 為界將雅浦海溝分南北兩段，北段大致呈北偏東30°方向延伸，地勢較低，向南逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闁|—西向。海溝北部與帕里西維拉海盆的擴(kuò)張中心相接，西南接帕勞海溝，東側(cè)為卡羅琳熱點(diǎn)作用下形成的卡羅琳洋脊（高原）。雅浦海溝北部和南部分別為太平洋板塊和卡羅琳板塊向菲律賓海板塊俯沖的匯聚板塊邊界，板塊匯聚的相對(duì)速度分別為20 mm/y 和5 mm/y（Seno et al.，1993）。雅浦俯沖帶作為西太平洋眾多俯沖帶之一，具有明顯區(qū)別于其他俯沖系統(tǒng)的特征：海溝和島弧距離短（約50 km），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于西太平洋其他溝—弧系統(tǒng)的距離（馬里亞納海溝～200 km），海溝軸部缺少沉積物；地震活動(dòng)少，沒有深源地震發(fā)生；缺乏活動(dòng)的島弧火山作用，島弧基底主要由變質(zhì)巖組成（Shiraki，1971；Hawkins and Batiza，1977；Zhang and Zhang，2020），火山巖分布較少，缺少記錄巖漿活動(dòng)的新鮮火山巖。前人通過對(duì)采集于馬里亞納海溝與雅浦海溝交界處兩組火山巖樣品研究表明，雅浦島弧巖漿作用并未因卡羅琳洋脊的碰撞而 停 止，至 少 在11～7 Ma 短 暫 恢 復(fù)（Beccaluva et al.，1980，1986；Crawford et al.，1986）。Ohara et al.（2002）報(bào)道了雅浦海溝及北雅浦?jǐn)嘌碌膸r石學(xué)和地球化學(xué)研究，結(jié)果表明，火山巖和橄欖巖都顯示出島弧親和性，前者代表形成～25 Ma 的島弧拉斑玄武巖，后者為高度虧損的橄欖巖，代表了與俯沖相關(guān)的弧前地幔，現(xiàn)今雅浦島弧由上下兩個(gè)單元組成，上部代表帕里西維拉海盆地殼，下部代表島弧巖漿作用后的殘余地幔，而NYE 火山巖指示北雅浦島弧似乎是在帕里西維拉海盆的擴(kuò)張尖端形成的一個(gè)早期的島弧。Yang et al.（2018）討論了雅浦俯沖帶的構(gòu)造特征并再次證明巖石具有俯沖相關(guān)的地球化學(xué)特征。Chen et al.（2019a，2019b）對(duì)雅浦海溝橄欖巖進(jìn)行了詳細(xì)的地球化學(xué)分析，指出雅浦海溝橄欖巖地幔高度虧損，同時(shí)發(fā)現(xiàn)上地幔存在Re 虧損年齡約1.16 Ga 的橄欖巖地幔碎片，代表了非常古老的熔融事件的殘留地幔。Zhang and Zhang（2020）通過對(duì)雅浦島弧變質(zhì)巖研究發(fā)現(xiàn)，雅浦海溝內(nèi)存在代表約50 Ma 前IBM 系統(tǒng)初始俯沖階段的弧前玄武巖、代表雅浦島弧巖漿作用的拉斑玄武巖以及代表卡羅琳板塊的洋島玄武巖，這些巖石因卡羅琳洋脊的碰撞（～21 Ma）一同發(fā)生變質(zhì)作用，堆積在海溝內(nèi)部。最新研究（Chen et al.，2021）發(fā)現(xiàn)，雅浦海溝內(nèi)部分玄武巖具有弧后盆地玄武巖（BABB）親和性，代表帕里西維拉海盆的火山巖地殼。上述火山巖因卡羅琳洋脊的碰撞、帕里西維拉海盆洋殼逆沖至原雅浦島弧之上而堆覆在海溝內(nèi)。由此可見，卡羅琳洋脊的碰撞在雅浦海溝和島弧的演化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，具有特殊的意義（田原等，2021）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造特征Fig.1 Structural features of the study area

2 樣品來源及分析方法

本研究樣品來自于中國載人潛水器蛟龍?zhí)栐诖笱?7 航次、大洋38 航次采集到的火山巖樣品。DY37-Dive113潛次位于雅浦海溝北側(cè)陸向坡，水深6 551～6 572 m，38Ⅲ-JL148潛次位于海溝南側(cè)陸向坡，水深4 160～4 171 m（圖1）。本文對(duì)上述潛次4 個(gè)站位共6 個(gè)玄武巖樣品（Dive113-S02、Dive113-S06、JL148-S05-1、JL148-S08-2）進(jìn)行了詳細(xì)的主微量元素及Sr-Nd-Pb 同位素分析（表1）。

表1 雅浦海溝玄武巖站位信息及主微量元素含量Table 1 Whole-rock major element and trace element concentrations in lavas from the Yap Trench

上述玄武巖樣品約5～10 cm，具有塊狀構(gòu)造，樣品為黑色和黃褐色，部分樣品表面覆蓋一層黑色的錳殼層，樣品基質(zhì)為間隱結(jié)構(gòu)，斑晶主要是基性斜長石和普通輝石及少量破碎的橄欖石，基質(zhì)和斑晶均已蝕變。

全巖主微量元素、Sr-Nd 同位素分析在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司完成，分析前均將表面蝕變部分切除，只取中心新鮮核部進(jìn)行分析。主量分析采用四硼酸鋰玻璃熔片X 射線熒光光譜儀（XRF）測試，具體流程為：稱取約1 g 樣品置于馬弗爐中在900 ℃高溫灼燒1.5 h，完成后取出放入干燥器。待冷卻后稱取質(zhì)量，并計(jì)算出燒失量，再稱取約0.6 g 前一步的殘?jiān)捶Q取約8 倍于殘?jiān)|(zhì)量的四硼酸鋰助熔劑，混合均勻后倒入鉑金坩堝并加入適量脫模劑溴化鋰和氧化劑硝酸鋰，置于1 200 ℃高溫熔融。待熔融完成后取出倒入鉑金磨具中冷卻成玻璃片，上機(jī)測試，分析精度優(yōu)于5%。

圖2 雅浦海溝玄武巖手標(biāo)本照片及光學(xué)顯微鏡圖像a、b.雅浦海溝玄武巖手標(biāo)本照片；c.正交偏光；d.單偏光px.輝石； pl.斜長石Fig.2 Hand specimens and optical microscope images of basalts from the Yap Trench

續(xù)表1

全巖微量元素分析采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）完成，分析儀器為Perkin-Elmer ELAN 300D。樣品前處理流程為：準(zhǔn)確稱取200 目樣品25 mg 加入特氟龍罐中，加入1 mL HF 和0.5 mL HNO3，加蓋并放入不銹鋼外套中密封置于烘箱中于190 ℃下分解48 h。取出待冷卻后于電熱板上蒸干，加入1 mL HNO3蒸干并重復(fù)一次。加入2 mL 1∶1 HNO3蒸餾水重新置于烘箱中120 ℃溶解殘?jiān)? h。完成后取出冷卻，定容至20 mL 待測。采用國家標(biāo)樣GSR-1 和GSR-3 進(jìn)行分析質(zhì)量控制，分析精度優(yōu)于10%。

全巖Sr-Nd 同位素主要分析流程如下：準(zhǔn)確稱取0.25 g 樣品于Teflon 燜罐內(nèi)，加入0.5 mL HNO3和1.5 mL HF，190 ℃封閉加熱消解48 h，160 ℃趕除HF，加入3 mL 1∶1 HNO3，150 ℃密閉復(fù)溶6 h，定容至25 g。取適量樣品溶液離心，取上清液蒸干，調(diào)節(jié)酸度，分別使用SR 特效樹脂分離純化Sr，獲得含Sr 樣品溶液。根據(jù)Nd，取適量樣品溶液離心，取上清液蒸干，調(diào)節(jié)酸度，分別使用LN 特效樹脂分離純Nd，獲得含Nd 樣品溶液。使用Thermo Fisher Scientific 多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀Neptune Plus MC-ICP-MS 分別測定87Sr/86Sr 值和143Nd/144Nd 值，根據(jù)88Sr/86Sr 值（8.373 209）和143Nd/144Nd值（0.721 8）按照指數(shù)規(guī)律對(duì)測定的87Sr/86Sr 值和143Nd/144Nd 值進(jìn)行在線質(zhì)量分餾校正。87Sr/86Sr 值和143Nd/144Nd 值的不確定度為2σ。美國地質(zhì)調(diào)查局USGS 地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)巖石粉末（玄武巖BCR-2、玄武巖BHVO-2、安山巖AGV-2）作為質(zhì)量監(jiān)控樣品，經(jīng)過以上化學(xué)前處理與質(zhì)譜測定，Sr-Nd 同位素比值實(shí)測值在誤差范圍內(nèi)與文獻(xiàn)報(bào)道值一致。

全巖Pb 同位素測試由武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司完成。分析采用德國Thermo Fisher Scientific 公司的MC-ICP-MS（Neptune Plus）。儀器配備9 個(gè)法拉第杯接收器。204（Pb+Hg）、206Pb、207Pb、208Pb、203Tl、205Tl 和202Hg 同時(shí)被7 個(gè)接收器接收。其中202Hg 被用于監(jiān)控并校正204Hg 對(duì)204Pb 同位素的同質(zhì)異位素干擾，204Hg/202Hg 天然比值采用0.230 1。MC-ICP-MS 采用了Jet+X 錐組合和干泵以提高儀器靈敏度。根據(jù)樣品中的Pb 含量，50 μL/min～100 μL/min 兩種微量霧化器被選擇使用。Alfa 公司的Pb 單元素溶液被用于優(yōu)化儀器操作參數(shù)。Pb 國際標(biāo)準(zhǔn)溶液NIST 981（200 μg/L）作為質(zhì)量監(jiān)控和外部校正標(biāo)樣，208Pb 的信號(hào)一般高于6 V。每個(gè)標(biāo)樣和樣品中加入一定量的Tl 溶液（NBS SRM 997），205Tl 信號(hào)控制在4～5 之間。Tl 拖尾對(duì)204Pb 的干擾沒有被觀察到。數(shù)據(jù)采集由8 個(gè)blocks組成，每個(gè)block 含10 個(gè)cycles，每個(gè)cycle 為4.194 s。Pb 同位素的儀器質(zhì)量分餾采用假內(nèi)標(biāo)指數(shù)法則校正（Russell et al.，1978）。

3 分析結(jié)果

全巖主、微量元素分析測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 所示。所研究玄武巖樣品均為亞堿性玄武巖，在TAS 圖解上落在玄武巖和安山質(zhì)玄武巖區(qū)域范圍內(nèi)（圖3a），其主量元素特征存在顯著差異。在SiO2-K2O 圖解上（圖3b），雖然4 個(gè)站位樣品均落在馬里亞納海槽（MT）成分范圍內(nèi)。但南部JL148-S05 與JL148-S08 站位樣品的K2O 含量高于北部Dive113-S02 與Dive113-S06 站位，暗示前者具有更高的演化程度（Ribeiro et al.，2020）。

圖3 雅浦海溝玄武巖TAS 圖解（a）與SiO2-K2O 關(guān)系圖（b）（Gill，1981；Peccerillo and Taylor，1976）元素含量已重新計(jì)算到100%的無水基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)來源：弧前玄武巖據(jù)Reagan et al.，2010；馬里亞納海槽據(jù)Sinton and Fryer，1987；Hawkins et al.，1990；Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016Fig.3 Total alkali-silica（TAS）diagram（a）and SiO2-K2O diagram（b）for basalts from the Yap Trench（Gill，1981；Peccerillo and Taylor，1976）

在島弧演化過程中，SiO2與MgO 含量受結(jié)晶分異與地殼同化混染作用共同影響（Ribeiro et al.，2020），在SiO2-MgO 圖解上（圖4a），始新世馬里亞納初始島弧與成熟島弧SiO2和MgO 含量顯示出負(fù)相關(guān)性，隨著島弧巖漿作用演化趨于成熟，SiO2含量逐漸升高，MgO 含量逐漸下降。所研究玄武巖樣品在SiO2-MgO 圖解上（圖4a）位于始新世馬里亞納初始島弧范圍內(nèi)，表明所研究樣品可能與始新世馬里亞納初始島弧具有相似的地球化學(xué)特征與構(gòu)造歷史。在MgO-Al2O3、MgO-CaO 圖解上（圖4b、圖4c），雅浦海溝的4 個(gè)站位樣品均落在馬里亞納島?。∕A）與MT 組成范圍內(nèi)，但Dive113 潛次樣品具有更高的MgO 含量和更低的CaO 含量；在MgO-TiO2圖解上（圖4d），海溝南部JL148-S05、JL148-S08 站位樣品落在MA 組成范圍內(nèi)，具有更低的TiO2含量，而海溝北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位樣品則落在MT 組成范圍內(nèi)，TiO2含量較高（圖4）?；『笈璧匦鋷r（BABB）與洋中脊玄武巖（MORB）成分相似，均由虧損地幔絕熱減壓熔融形成的，受俯沖組分影響較小，因此BABB 和MORB 分布在Ti-V 圖解（圖5）的同一區(qū)域。而島弧拉斑玄武巖（IAT）與弧前玄武巖（FAB）受俯沖組分影響相對(duì)較大，其成分范圍向低Ti 高V 方向移動(dòng)，表現(xiàn)出相對(duì)較低的Ti/V 比值（Reagan et al.，2010）。在Ti-V 圖解中（圖5），雅浦海溝南部JL148-S05 和JL148-S08 站位樣品Ti/V 值較低，落在IAT 成分范圍之內(nèi)，而海溝北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位樣品則落在MORB 和BABB 成為范圍之內(nèi)?？傮w來說，海溝南北兩側(cè)樣品在主量元素組成上差異明顯，海溝南部JL148-S05、JL148-S08 站位樣品更具有IAT 親和性，而北部Dive113-S02，Dive113-S06點(diǎn)位的樣品更具有BABB 親和性。

圖4 雅浦海溝玄武巖SiO2-MgO 關(guān)系圖（a.據(jù)Ribeiro et al.，2020），MgO-Al2O3關(guān)系圖（b），MgO-CaO關(guān)系圖（c），MgO-TiO2關(guān)系圖（d）元素含量已重新計(jì)算到100%的無水基礎(chǔ)上數(shù)據(jù)來源：馬里亞納島?。∕A）（Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016）；馬里亞納海槽（MT）（Sinton and Fryer，1987；Hawkins et al.，1990；Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016）；FAB（Reagan et al.，2010）；其他見圖例.Fig.4 Plots of SiO2-MgO（a）（modified from Ribeiro et al.，2020），MgO-Al2O3（b），MgO-CaO（c）and MgO versus TiO2（d）for the Yap Trench basalts

圖5 雅浦海溝玄武巖Ti-V 圖解（據(jù)Shervais，1982；數(shù)據(jù)源與圖3 相同）Ti/V 值區(qū)分了島弧拉斑玄武巖（IAT）Ti/V＜20；大洋中脊玄武巖（MORB）；弧后盆地玄武巖（BABB）20＜Ti/V＜50；洋島玄武巖（OIB）50＜Ti/V＜100Fig.5 Ti-V diagram of the studied Yap Trench basalts（after Shervais，1982；data source same as Fig.3）

所研究樣品原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖如圖6 所示。樣品均顯示出“平坦型”稀土配分模式曲線，輕重稀土元素間并未出現(xiàn)明顯分餾，與帕里西維拉海盆（DSDP449、DSDP 450）相似。與N-MORB 相比更富集輕稀土元素（LREE），輕稀土含量介于馬里亞納海槽（Ikeda et al.，2016）與弧前玄武巖（Reagan et al.，2010）之間。

圖6 雅浦海溝玄武巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖數(shù)據(jù)來源：PM、N-MORB 成分引自Sun and McDonough，1989；北雅浦?jǐn)嘌拢∟YE）引自O(shè)hara et al.，2002；帕里西維拉海盆（PVB）引自Hickey-Vargas，1998；馬里亞納島弧引自Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016；馬里亞納海槽引自Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016；弧前玄武巖引自Reagan et al.，2010Fig.6 Primitive mantle（PM）-normalized REE concentrations of the Yap Trench basalts

所研究樣品原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖如圖7 所示，樣品均表現(xiàn)出島弧玄武巖特征，富集Rb、Ba、Th、U、K 等大離子親石元素，具有Sr 的正異常與Nb、Ta 負(fù)異常等特征。樣品雖然具有島弧玄武巖的微量元素特征，但其整體富集程度較低，介于FAB 與MA 之間，這表明所研究樣品并未明顯受到明顯的后期板塊流體影響。其中Dive113-S02、Dive113-S06 站位樣品與帕里西維拉海盆（Hickey-Vargas，1991，1998）、雅浦海溝（代表帕里西維拉海盆）（Chen et al.，2021）表現(xiàn)出很強(qiáng)的相似性，其大離子親石元素富集程度，Nb、Ta 虧損程度較弱?？傮w來說，所研究樣品微量元素特征雖具有島弧玄武巖親和性但并不明顯，更類似于一種介于FAB 與IAT 之間過渡巖漿作用的產(chǎn)物。Dive113-S02、Dive113-S06 站位樣品具有BABB 親和性，暗示其可能代表帕里西維拉海盆地殼。

所研究樣品同位素?cái)?shù)據(jù)如表2 所示。雅浦海溝同位素研究數(shù)據(jù)較少，結(jié)果表明放射性同位素Sr 含量較高，變化范圍為（0.703 991～0.704 794），均高于MA 成分范圍（圖7），表明所研究樣品受海水蝕變影響嚴(yán)重。放射性同位素Nd變化范圍為（0.513 028～0.513 109），位于全球MORB 組分的DM 源區(qū)。海溝南部JL148-S05-1 樣品206Pb/204Pb = 18.629 2、207Pb/204Pb = 15.594 7、208Pb/204Pb = 38.472 4；JL148-S08-1 樣 品206Pb/204Pb = 18.550 2、207Pb/204Pb = 15.553 3、208Pb/204Pb = 38.17。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb 圖與206Pb/204Pb-208Pb/204Pb圖中（圖8），所研究樣品總體落在MA 的成分范圍內(nèi)，與FAB 和帕里西維拉海盆地殼相比具有更高的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb 含量。

表2 雅浦海溝玄武巖同位素特征Table 2 Whole-rock isotopes concentrations in lavas from the Yap Trench

圖7 雅浦海溝玄武巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖數(shù)據(jù)來源：PM、N-MORB 成分引自Sun and McDonough，1989；北雅浦?jǐn)嘌拢∟YE）引自O(shè)hara et al.，2002；帕里西維拉海盆（PVB）引自Hickey-Vargas，1998；馬里亞納島弧引自Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016；馬里亞納海槽引自Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016；弧前玄武巖引自Reagan et al.，2010Fig.7 Primitive mantle（PM）-normalized trace element spider diagram of the Yap Trench peridotite

圖8 雅浦海溝玄武巖Sr-Nd-Pb 同位素特征（據(jù)Rollison，2000）數(shù)據(jù)來源：北雅浦?jǐn)嘌聯(lián)﨩hara et al.，2002；帕里西維拉海盆據(jù)Hickey-Vargas（1991）；馬里亞納島弧據(jù)Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016；馬里亞納海槽據(jù)Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016；弧前玄武巖據(jù)Reagan et al.，2010.Fig.8 Sr-Nd-Pb isotopic characteristics of Yap Trench basalts（after Rollison，2000）

4 討 論

4.1 巖石成因

卡羅琳洋脊與雅浦海溝的碰撞是影響海溝內(nèi)巖漿作用的關(guān)鍵因素，洋脊碰撞導(dǎo)致雅浦溝—弧距離極短，弧前俯沖侵蝕嚴(yán)重，且西部帕里西維拉海盆洋殼因碰撞逆沖推覆至雅浦弧前地幔之上（Hawkins and Batiza，1977；Ohara et al.，2002；Zhang and Zhang，2020；Chen et al.，2021）。這一復(fù)雜地質(zhì)過程導(dǎo)致雅浦海溝內(nèi)部巖石來源復(fù)雜，具體包括：1）代表始新世早期（～50 Ma）俯沖初始階段弧前地幔減壓融熔形成的弧前玄武巖（Reagan et al.，2010；Zhang and Zhang，2020）；2）俯沖相關(guān)受板塊流體/熔體影響的島弧玄武巖，如北雅浦?jǐn)嘌拢∟YE）火山巖（Ohara et al.，2002）；雅浦海溝弧前橄欖巖（Chen et al.，2019a，2019b）；采集于雅浦海溝與馬里亞納海溝交匯處的火山巖（Beccaluva et al.，1980，1986；Crawford et al.，1986）；3）代表帕里西維拉海盆地殼的弧后盆地玄武巖（Fujiwara et al.，2000；Chen et al.，2021）；4）代表現(xiàn)雅浦島弧的變質(zhì)巖（Hawkins and Batiza，1977）；5）因碰撞而從俯沖板塊上剝蝕到海溝內(nèi)部，代表索羅爾海槽裂解的MORB 親和性玄武巖與代表卡羅琳熱點(diǎn)的洋島玄武巖（OIB）（Zhang et al.，2020）。因此，所研究樣品可能來自弧前巖石圈、島弧、弧后盆地和俯沖板塊。與FAB、BABB 相比，俯沖相關(guān)火山巖最顯著的特征就是富集板塊衍生成分，如相較于在俯沖過程中較為穩(wěn)定的HFSEs（高場強(qiáng)元素）和HREE（重稀土元素），富集LILEs（大離子親石元素）。所研究玄武巖樣品LILEs 富集程度較低，Nb、Ta 等HFSEs 也并未出現(xiàn)系統(tǒng)性的虧損，因此受俯沖組分（板塊衍生流體/熔體）影響程度需進(jìn)一步的評(píng)估。通常用俯沖活動(dòng)元素（LILEs）與俯沖不活動(dòng)元素（HFSEs、HREE）的比值（LILE/HFSE、LILE/HREE）識(shí)別俯沖流體端元和指示俯沖物質(zhì)的加入程度（Pearce et al.，2005）。在俯沖過程中，Rb、Ba、Sr、U、Pb 等LILEs 隨板塊流體發(fā)生遷移，而Th、LREEs（輕稀土元素）則保留在洋殼內(nèi)，只會(huì)隨板塊熔體或沉積物熔體遷移至地幔楔?？紤]到K、Rb、U、Cs更容易受后期海水蝕變影響，選擇Ba 作為最合適的LILE 來評(píng)估板塊衍生流體對(duì)俯沖相關(guān)熔巖的影響（Pearce et al.，2005），Th 主要由俯沖沉積物或板塊部分融熔熔體輸送到地幔楔中（Elliott et al.，1997），島弧火山巖中Th 大部分來源于俯沖沉積物和俯沖板片的部分融熔，因此，Th/Yb 和Ba/Yb 被廣泛用于評(píng)價(jià)沉積物熔體和俯沖流體對(duì)俯沖相關(guān)熔巖的影響，而Nb、Yb 在流體中相對(duì)穩(wěn)定，Nb/Yb 可以指示地幔源區(qū)的富集—虧損程度。在Nb/Yb-Ba/Yb 和Nb/Yb-Th/Yb 圖中（圖9），所研究樣品均落在MORB-OIB 陣列較為虧損的端元（Dive113-S02、Dive113-S06 虧損程度稍低，落在MT 組分區(qū)域），海溝南部JL148-S05、JL148-S08 站位樣品地幔源區(qū)與FAB 相似，比N-MORB 源地幔更加虧損，這表明樣品并非來自較為富集的弧后區(qū)域地幔，排除了樣品來自弧后盆地的可能性，而海溝北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位樣品Nb/Yb 值較高，落在MT 成分范圍內(nèi)較為虧損的區(qū)域，結(jié)合主量元素特征，雅浦海溝北部樣品可能代表帕里西維拉海盆地殼。

圖9 雅浦海溝Nb/Yb-Ba/Yb（a）和Nb/Yb-Th/Yb（b）關(guān)系圖（數(shù)據(jù)源與圖6 相同）Fig.9 Plots of Nb/Yb-Ba/Yb（a）and Nb/Yb-Th/Yb（b）（data sources are the same as in Fig.6）

FAB 是俯沖初始階段弧前地幔減壓融熔的產(chǎn)物，幾乎沒有或很少受到俯沖組分的影響，而MA 是弧下地幔楔受俯沖流體交代部分融熔的產(chǎn)物，其受俯沖組分影響在島弧發(fā)育的過程中逐步遞增（Ribeiro et al.，2020）。雅浦海溝南部JL148-S05、JL148-S08 站位樣品無論是俯沖流體輸入組分（Ba/Yb）還是俯沖熔體輸入組分（Th/Yb）均介于FAB 與MA 之間，這表明樣品在巖漿演化階段受到俯沖流體的影響，但不顯著。這與我們?cè)谠嫉蒯?biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖和原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖上觀察到的結(jié)果一致（圖5，圖6）。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb 圖（圖8d）與206Pb/204Pb-208Pb/204Pb 圖（圖8c）中，JL148-S05、JL148-S08 站位樣品與FAB 和帕里西維拉海盆成分范圍出現(xiàn)明顯偏差，具有更高的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb 含量，與MA 表現(xiàn)出較強(qiáng)的親和性，這表明JL148-S05、JL148-S08 站位樣品可能并非來自弧前和弧后，而是代表初始島弧巖漿作用的產(chǎn)物。初始島弧巖漿作為一種巖漿演化的過渡階段，其受俯沖帶組分影響微弱。在Nb/Yb-Ba/Yb 和Nb/Yb-Th/Yb 圖中，所研究樣品Ba/Yb 值偏低，稍高于FAB，符合初始島弧巖漿作用產(chǎn)物的特征，但其Th/Yb 值偏高，與MA 接近，這表明所研究樣品在巖漿演化階段可能受俯沖熔體的影響，熔體的添加使樣品中Th 的含量明顯增高，這一現(xiàn)象得到了樣品中高放射性Pb 同位素含量的支持。雅浦島弧坡面存在兩個(gè)主要的坡折帶并指示巖性邊界，其上部為洋下地殼，下部為菲律賓海板塊上地幔。同時(shí)在島弧坡面上觀察到布格重力異常的負(fù)峰，這表明島弧坡面下的地殼最厚，雅浦島弧北部布格重力異常為正，這些重力信號(hào)表明雅浦島弧在動(dòng)力作用下上升，雅浦島弧上部可能代表推覆逆沖而上的帕里西維拉海盆地殼（Fujiwara et al.，2000）。綜上所述，雅浦海溝南北兩部樣品具有不同的巖石成因，海溝北部樣品具有弧后盆地玄武巖親和性，可能代表逆沖推覆至雅浦島弧上的帕里西維拉海盆地殼，而南部樣品具有島弧親和性，可能代表碰撞后新一期次的初始島弧巖漿。

4.2 構(gòu)造意義

雅浦海溝具有復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史，Chen et al.（2019b）通過對(duì)雅浦海溝橄欖巖中Re-Os 同位素的研究表明，雅浦弧前存在虧損年齡約1.16 Ga 的殘余地幔，代表了古地幔熔融事件。在卡羅琳板塊出現(xiàn)之前，雅浦海溝作為古IBM 俯沖系統(tǒng)的一部分，與IBM 系統(tǒng)具有相同的早期構(gòu)造演化歷史：太平洋板塊在～52 Ma 開始俯沖至菲律賓海板塊之下（Reagan et al.，2010；Ishizuka et al.，2011），在隨后～2 Ma 的俯沖初始階段，太平洋板塊的下沉促進(jìn)了弧前巖石圈伸展，從而觸發(fā)弧前地幔減壓熔融，形成具有MORB 親和性的FAB。隨后因俯沖的持續(xù)進(jìn)行，虧損的弧前地幔受到來自板塊脫水流體的交代，進(jìn)一步融熔形成玻安巖（Parce et al.，1992；Reagan et al.，2017）。

隨著古IBM 海溝因太平洋板塊的俯沖作用持續(xù)向西后退，最終在～33 Ma 古IBM 海溝裂解，在此之后雅浦海溝逐漸演變成獨(dú)立的俯沖體系?？_琳板塊形成于35～30 Ma（Bracey，1975；Hegarty and Weissel，1988；Yamazaki et al.，1994），卡羅琳洋脊為卡羅琳板塊上的構(gòu)造單元，分東、西兩部（圖1），東卡羅琳洋脊為古近紀(jì)（33～27 Ma）卡羅琳熱點(diǎn)作用下形成的海底高原（Keating et al.，1984；Hegarty and Weissel，1988）而西卡羅琳洋脊地殼代表與槽索羅爾海槽裂解有關(guān)的MORB 親和性玄武巖（Zhang et al.，2020），二者隨卡羅琳板塊持續(xù)向西遷移，直至與海溝發(fā)生碰撞。卡羅琳洋脊與雅浦海溝的碰撞在雅浦俯沖體系的演化中起著關(guān)鍵作用，但碰撞發(fā)生時(shí)間仍存爭議。Fujiwara et al.（2000）認(rèn)為碰撞發(fā)生在25 Ma 左右，此次碰撞導(dǎo)致雅浦島弧火山作用停止。Ohara et al.（2002）在NYE 發(fā)現(xiàn)K-Ar 年齡為～25 Ma 的火山巖，這說明如果碰撞導(dǎo)致雅浦島弧火山活動(dòng)停止，碰撞時(shí)間要晚于25 Ma。根據(jù)雅浦島弧角閃石相變質(zhì)年齡，Zhang and Zhang（2020）認(rèn)為碰撞發(fā)生在～21 Ma，這一時(shí)間與帕里西維拉海盆擴(kuò)張方向改變時(shí)間一致。早期研究認(rèn)為，雅浦海溝島弧火山作用因卡羅琳洋脊的碰撞而停止（Hawkins and Batiza，1977；McCabe and Uyeda，1983），但Beccaluva et al.（1980，1986）在雅浦海溝陸向坡發(fā)現(xiàn)K-Ar 年齡為11～7 Ma 的火山巖，這表明碰撞并未導(dǎo)致雅浦海溝島弧巖漿作用停止，碰撞后誘發(fā)了新一期的島弧巖漿作用。

本文研究樣品具有俯沖相關(guān)玄武巖的特征，其地球化學(xué)及同位素特征指示其似乎是介于FAB 與成熟島弧拉板玄武巖之間初始島弧巖漿作用的產(chǎn)物，其地化特征與雅浦海溝陸向坡火山巖相似（Beccaluva et al.，1980，1986），與NYE 火山巖（Ohara et al.，2002）相比受俯沖組分影響較低，暗示其可能同為洋脊碰撞后，新一期（11～7 Ma）島弧巖漿作用的產(chǎn)物。

結(jié)合所研究樣品地球化學(xué)及Sr-Nd-Pb 同位素地球特征，我們認(rèn)為雅浦海溝北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位樣品具有BABB 親和性，可能代表帕里西維拉海盆地殼。海溝南部樣品（JL148-S05、JL148-S08）形成于卡羅琳洋脊與雅浦海溝碰撞之后，為碰撞后弧前地幔淺部新生島弧巖漿作用的產(chǎn)物。當(dāng)洋脊與海溝碰撞時(shí)，早期島弧巖漿作用因洋脊的阻礙而停止，雖然卡羅琳板塊的俯沖速度因洋脊的阻礙而變得緩慢，但卻未完全停止?？_琳洋脊作為較為年輕的板塊（35～30 Ma），本身溫度較高，碰撞導(dǎo)致弧前溫度進(jìn)一步升高，隨著俯沖的持續(xù)（慢速）進(jìn)行，俯沖板塊在弧前淺層地幔脫水，并誘發(fā)了弧前地幔發(fā)生脫水作用（Ribeiro et al.，2020），導(dǎo)致弧前地幔的部分熔融。此次熔融事件發(fā)生在FAB 出現(xiàn)之后，弧前地幔經(jīng)歷多期熔融事件，理應(yīng)極度虧損，但所研究樣品在MORB-OIB 陣列中（圖9）與FAB 位于同一虧損區(qū)間內(nèi)，這表明在碰撞發(fā)生之前，俯沖啟動(dòng)后相對(duì)富集的弧后軟流圈地幔隨地幔對(duì)流流入弧前，中和了弧前地幔的虧損程度（Ribeiro et al.，2020）。所研究樣品中Th 的含量偏高，可能繼承了碰撞前卡羅琳板塊沉積物熔體對(duì)弧后地幔源的早期改造，不反映淺層俯沖帶過程。隨著俯沖的進(jìn)行，雅浦弧前地幔淺部誘發(fā)新一期島弧火山作用，形成部分新生巖石圈地殼，由于俯沖初期巖石圈較為薄弱，巖石圈地殼因卡羅琳洋脊的侵蝕作用撕裂。隨著俯沖—碰撞作用的持續(xù)進(jìn)行，帕里西維拉海盆被逆沖推覆至原雅浦島弧之上，巖石圈碎片與其他火山巖一起，暴露在雅浦海溝底部。據(jù)此本文建立雅浦島弧構(gòu)造演化模式（圖10）。

碰撞前（圖10a）卡羅琳板塊早期俯沖階段，板塊脫水流體引發(fā)弧下地幔楔的部分熔融，沉積物熔體隨地幔對(duì)流流入弧后軟流圈地幔。碰撞后（圖10b）卡羅琳洋脊與雅浦海溝的碰撞導(dǎo)致原雅浦島弧巖漿作用停止，捕獲了早期沉積物熔體的弧后軟流圈地幔隨地幔對(duì)流流入弧前，中和了弧前極度虧損的地幔，年輕的卡羅琳洋脊因碰撞高溫在弧前淺部脫水，誘發(fā)新期次初始島弧巖漿作用，同時(shí)洋脊碰撞加劇了弧前侵蝕作用，導(dǎo)致帕里西維拉海盆地殼逐漸逆沖至原雅浦島弧地殼之上?，F(xiàn)今（圖10c）隨著俯沖侵蝕作用的不斷進(jìn)行，卡羅琳洋脊驅(qū)使雅浦島弧地殼不斷向西運(yùn)動(dòng)，直至帕里西維拉海盆地殼完全推覆至原雅浦島弧之上，在此過程中，代表不同地質(zhì)體的巖體因俯沖侵蝕作用共同被剝蝕到海溝底部。

圖10 雅浦島弧構(gòu)造演化圖a.卡羅琳板塊與雅浦海溝碰撞前；b.卡羅琳板塊與雅浦海溝碰撞后；c.現(xiàn)今狀態(tài)Fig.10 Model of the tectonic evolution of the Yap Arc

5 結(jié) 論

基于雅浦海溝玄武巖全巖主微量元素、Sr-Nd-Pb 同位素地球化學(xué)特征，我們認(rèn)為，雅浦海溝北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位樣品與南部JL148-S0、JL148-S08 站位樣品具有不同的巖石成因與構(gòu)造意義。北部樣品具有弧后盆地玄武巖親和性，暗示其可能代表帕里西維拉海盆地殼，在卡羅琳洋脊與海溝碰撞這一地質(zhì)過程中逆沖推覆至原雅浦島弧之上，后期因俯沖侵蝕作用滑落至海溝底部。

雅浦海溝南部樣品具有俯沖相關(guān)火山巖的典型特征，大離子親石元素富集程度較低。Ba/Yb、Th/Yb 值介于弧前玄武巖與島弧拉斑玄武巖之間，表明樣品在形成過程中受到板塊流體的影響，但不顯著，暗示其為卡羅琳洋脊與海溝碰撞后新生島弧巖漿作用的產(chǎn)物。碰撞導(dǎo)致雅浦俯沖帶早期島弧巖漿作用停止，來自弧后較為富集的軟流圈地幔隨地幔對(duì)流流入弧前，中和了弧前極度虧損的地幔，年輕且高溫的卡羅琳洋脊與海溝的碰撞導(dǎo)致弧前溫度升高，俯沖板塊在弧前淺部脫水，導(dǎo)致弧前地幔的部分熔融，誘發(fā)了新一期次的島弧巖漿作用。上述巖石因俯沖侵蝕作用剝蝕脫落暴露在海溝底部。