近日，海洋所深海中心孫衛東研究員團隊劉海洋等人在馬里亞納俯沖帶弧前水巖反應和硼（B）同位素地球化學行為研究上取得新進展，相關成果發表在國際學術期刊Lithos上。

　　板塊構造理論提出以來，作為地球內部-外部，物質和能量交換的重要場所，俯沖帶得到了地質學家的廣泛關注。研究表明俯沖帶是全球火山作用最為強烈的地區之一。前人有關俯沖帶物質循環的研究通常利用蝕變洋殼和沉積物代表俯沖帶的輸入物質，然后通過島弧巖石的研究來討論俯沖帶輸出物質的組成。近期的研究發現俯沖帶的淺部弧前區域（海溝與島弧火山之間）同樣發生了強烈的水巖反應過程，并存在大量的物質運移，是俯沖帶物質循環的重要組成。然而由于俯沖帶淺部地質樣品難以直接獲得，因此俯沖帶淺部水巖反應過程仍缺乏系統的研究。馬里亞納俯沖帶弧前存在大量的蛇紋巖泥火山，其中的蛇紋巖泥沿斷裂上涌的過程中可以攜帶俯沖隧道內的地質樣品到海底淺表，因此，這些樣品是研究俯沖帶淺部地質過程的理想對象。該項研究以國際大洋發現計劃（IODP）366航次鉆探獲得的馬里亞納弧前泥火山中變質基性巖樣品為研究對象，開展了詳細的巖相學、元素地球化學、礦物化學和B同位素地球化學研究，研究結果有效揭示了俯沖帶弧前區域的流體活動和變質脫水過程，為揭示俯沖帶流體循環及島弧巖漿成因提供重要信息。 

馬里亞納俯沖帶弧前蛇紋巖泥火山成因示意圖和IODP 366航次鉆探區域  

　　巖相學工作顯示變質基性巖的原始礦物主要為輝石和斜長石，變質礦物主要為綠纖石、海綠石、綠鱗石、蒙脫石、皂石和方解石等。變質礦物均富集B、As、Sb、Pb等流體活動性元素，表明在俯沖帶淺部，這些變質礦物可以使變質基性巖富含一定量的流體活動性元素。隨著俯沖深度增加，以上礦物的分解或轉變為多硅白云母等礦物，可能會釋放一定量的流體活動性元素。研究匯集了已發表馬里亞納弧前蛇紋巖泥火山中變質基性巖的微量元素數據，結果顯示相關微量元素比值之間存在相關性（As/Ce和Sb/Ce等與B/La和B/Nb），反映了在弧前區域流體活動性元素通過變質脫水作用過程釋放到了地幔楔。硼同位素研究顯示變質基性巖具有明顯重于新鮮洋中脊玄武巖和洋島玄武巖的硼同位素組成。變化范圍與蝕變洋殼最上部組分的硼同位素組成類似。該項研究發現隨著蛇紋巖泥火山與海溝距離的增加，從Fantangisna海山（62km）經As t Tesoru海山（72km），再到South Chamorro海山（78km），變質基性巖的B同位素逐漸變輕，代表了隨著變質溫度、壓力增加，板片分異的富集重硼同位素的流體逐漸被釋放至地幔楔。該研究進行了脫水分餾過程模擬計算，模擬結果顯示俯沖帶變質殘余板片與變質基性巖B同位素組成吻合，并且板片分異流體具有與蛇紋石化橄欖巖一致的組成，進一步證實了以上研究結論的正確性。 

變質基性巖B同位素組成及隨海溝距離的變化趨勢 

　　該研究表明俯沖帶弧前區域存在大量的流體釋放過程，并伴隨流體活動性元素的運移。以硼元素為例，約73%的硼元素在弧前釋放，該部分物質將促使地幔楔的蛇紋石化，并有可能進一步拖拽至弧下深度，隨著地幔楔的熔融，而循環至島弧巖漿。該研究為俯沖帶物質循環，島弧巖漿成因提供重要信息。 

　　上述研究得到了國家自然科學基金青年基金和中科院先導項目等的聯合資助。論文第一作者為深海中心特別研究助理劉海洋，通訊作者為劉海洋、鄧江洪。 

　　相關成果論文題目及發表鏈接如下： 

　　Liu Haiyang., Xue Ying.-Yu., Yang Tinggen., Jin Xin., You Chen.-Feng., Lin Chiou.-Ting., Sun Wei.-Dong. and Deng Jianghong. (2022) Fluid-rock interactions at shallow depths in subduction zone: Insights from trace elements and B isotopic composition of metabasites from the Mariana forearc. Lithos 422-423, 106730.