组会：弧岩浆系统中的元素来源——钟自强

长期以来，关于弧火山岩的微量元素组成，传统观点认为这些组成来源于两个化学上不同的俯冲板块组分即一是来自俯冲的火成岩洋壳的含水流体，它运输“流体活动性”元素，；二是沉积物熔融体。 “流体活动性”元素包括Ba、U、Pb和Sr，而“沉积物熔融体”元素包括Th和轻稀土元素，包括Nd的放射性同位素。支持这一模型的地球化学观测结果已在全球范围内提出，并在个别弧内，尤其是马里亚纳群岛中得到了显著的证明，与俯冲板块的热模型一致，其中温度足够高，可以熔化被沉积物覆盖的板块表面，而下面的玄武岩洋壳主要脱水而不熔化。虽然“蚀变洋壳流体（AOC流体）”是许多模型的标志，但有人认为，洋壳和沉积物的部分熔体可能更符合弧数据。最近的实验研究支持这一观点，表明通常归因于流体的元素分馏也可能来自AOC熔化，同时一些实验岩石学发展已经导致一些研究提出，即使在俯冲板块较冷的情况下，AOC熔化也可能发生。

图1

Turner等人（2022）比较了弧火山岩与俯冲沉积物的组成，特别指出了弧火山岩中普遍存在的正Sr异常，而大多数沉积物中这种异常是缺失的（图1）。并且弧原始岩浆的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr较低（一般为0.703至0.7045），与沉积物（平均沉积物 2014为0.7124）相比，表明这不是来自沉积物的Sr。MORB（大洋中脊玄武岩）的Nb-Sr关系显示了由于地幔富集程度和熔化程度的变化（图2），Sr含量如何随着Nb含量的变化而变化。弧岩浆中的Nb主要来源于环境地幔。弧和MORB之间Sr丰度的垂直偏移反映了从板块添加的Sr。如果一些Nb也是板块衍生的，那么弧数据点需要向下移动到更低的Nb，这将要求更多的Sr从板块中提取。这种方法使得能够确定板块衍生的最小Sr量，而不必任意假设环境地幔Sr浓度或地幔熔化程度。图中的虚线表示MORB数据的移动平均。与作者认为MORB相比，弧火山岩在给定的Nb含量下显示出更高的Sr含量，这必须是由板块通量引起的。

图2

Turner等人（2024）进一步通过质量平衡论证进一步突出了sed-melt/火成岩流体假设的问题。认为Ba强烈受流体组分影响这一sed-melt/火成岩流体假设与一些地球化学观测结果不符，例如，平均俯冲沉积物含有的Ba是平均MORB（中洋脊玄武岩）的35倍，这表明沉积物而非俯冲洋壳，应该主导向弧输送的Ba，全球俯冲沉积物中钡（Ba）通量，Ba/Na表征Ba丰度，这种关系表明，沉积物中的Ba主导了所有弧岩浆中观察到的过量Ba丰度。根据前人研究，AOC水饱和固相线与沉积物非常相似（图4）,作者认为如果沉积物熔化，并且沉积物层很薄，那么洋壳熔化也很可能。热模型显示，即使在较冷的俯冲板块条件下，板块的温度也足以达到洋壳的含水固相线，使得洋壳发生部分熔融。

图3

综上所述，作者最后提出俯冲板块释放的流体触发了板块上覆的洋壳和沉积物的水饱和熔融，形成的含水板块熔体随后作为上覆地幔楔的熔融剂。Turner认为对弧数据的不同解释意味着海洋地壳、大陆和更深层次地幔之间的质量通量的不同，以及地球分化的机制也不同，这是十分重要的。

图4

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