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张伟 黄方 陈伊翔,Feb. 24, 2026
导语：
俯冲带弧岩浆如何形成？这是长期困扰地球科学界的难题。近日，中国科学技术大学黄方团队和陈伊翔团队合作，针对该问题有了新突破。他们通过对典型冷俯冲带——西太平洋伊豆弧火山岩进行系统的钡同位素分析，揭示了其跨弧变化规律，提出了“混杂岩底辟上升、板片流体交代引发混杂岩熔融”的两阶段弧岩浆成因模型，为理解地球内部物质循环机制和弧岩浆成因提供了新认识。相关成果近期在线发表于《自然-通讯》。
悬而未决的经典问题：弧岩浆如何形成？
板块俯冲带是地球表层与内部之间物质循环的关键纽带。俯冲带中广泛出现的火山弧则是物质循环的见证者和记录者。弧岩浆通常富集钡（Ba）等流体活动性元素，指示其源区有俯冲板片物质的加入。弧岩浆的高Ba/Th比值通常认为是识别板片来源富水流体的经典指标，但近年有研究认为该特征也可能由沉积物熔体造成。目前针对加入弧下地幔的板片物质的具体组分（富水流体、含水熔体或固体混杂岩等）以及它们如何迁移到弧下地幔存在长期争议，争论的根源在于缺乏能明确示踪不同组分的“指纹”。
研究思路与关键数据：钡同位素 “指纹”
为破解这一难题，研究团队结合前期对弧岩浆和Ba同位素体系的研究积累（如Nan et al., 2023-CG; Duan et al., 2025-EPSL；Qiao et al., 2025-NSR），利用高精度Ba稳定同位素分析这一新兴技术，选择西太平洋的伊豆弧作为研究对象（图1），并与全球岛弧进行对比分析。伊豆弧位于全球典型的冷俯冲带，火山链分布规则，且几乎不受地壳混染影响，是剖析俯冲带物质传输过程和机制的理想天然实验室。
图1 西太平洋伊豆弧地质示意图及采样点信息
研究获得的伊豆弧Ba同位素数据呈现以下核心特征（图2）：
1. 清晰的跨弧空间变化：δ138/134Ba值与Ba/Th比值均表现出随板片深度增加（从前弧向后弧）而协同降低的趋势；
2. 前弧与后弧差异：前弧样品值较高，与亏损地幔范围相似或略高；后弧样品则比地幔范围更低。
图2 伊豆弧前弧和后弧火山岩的Ba同位素组成和Ba/Th比值随俯冲深度变化特征
核心发现：高Ba/Th源自板片流体，且需“两步走”才能形成弧岩浆
基于上述数据特征，并结合已有的Sr-Nd同位素及微量元素数据，研究取得了两项关键进展：
1. 明确板片流体的贡献
研究发现，伊豆弧岩浆的δ138/134Ba值与Ba/Th比值呈现显著的协同变化，且δ138/134Ba与放射性成因锶（87Sr/86Sr）、钕（143Nd/144Nd）同位素组成呈正相关。
· 排除其他假说：数据分析表明，单纯由沉积物熔体在不同温度下的分异，或不同成分沉积物的混合，均无法同时解释Ba/Th的巨大变化（100-1000）和Ba同位素的变化特征。
· 锁定流体端元：具有高δ138/134Ba和高Ba/Th的样品，其Sr-Nd同位素特征指向蚀变洋壳。这强有力地表明，弧岩浆中高Ba/Th的特征主要来自俯冲板片中蚀变洋壳脱水流体，而非沉积物熔体（图3）。
图3 全球典型俯冲带弧岩浆的Sr-Nd同位素组成与Ba/Th比值的关系
2. 提出弧岩浆的两阶段成因模型
研究进一步发现，伊豆弧数据排除了过去简单的“地幔+流体”两端元混合模型。其分布揭示了一个更复杂的序列：
· 第一阶段（浅部掺入）：在俯冲带较浅深度，俯冲的沉积物与地幔橄榄岩在板片界面混合，形成混杂岩。这些低密度的混杂岩以底辟体形式运移到上覆地幔楔中，为地幔源区带来了沉积物的地球化学印记（如相对较轻的Ba同位素组成）。
· 第二阶段（深部触发）：当板片俯冲到弧下深度（约80-120公里），蚀变洋壳脱水，释放出富Ba等元素的流体（具有重Ba同位素组成）。这些流体向上迁移，交代已经含有沉积物组分的混杂岩地幔源区，为其叠加了显著的板片流体信号（重Ba同位素、极高Ba/Th），同时诱发其熔融形成弧岩浆。
该“混杂岩底辟-板片流体交代熔融”两阶段模型得到了定量混合模拟的支持，并能一致解释伊豆弧岩浆的Ba-Sr-Nd同位素及微量元素体系（图4）。汤加-克马德克弧等全球其他冷俯冲带岛弧的数据也印证了该模型的适用性。
图4 西太平洋伊豆弧成因的Ba-Sr-Nd同位素组成混合模拟结果
研究意义与展望
· 认知突破：打破了将弧岩浆成因归因于单一过程或机制的传统框架，提出混杂岩底辟与板片流体交代的共同作用促成了弧岩浆形成的新观点，建立了一个更符合观测数据的两阶段弧岩浆成因模型（图5）。
· 机制澄清：明确了在冷俯冲带环境下，沉积物主要以固态混杂岩形式先加入源区，而板片流体是后期引发熔融的“导火索”。这为理解全球具有不同热结构的俯冲带产生岩浆的成分差异提供了新思路。
· 深远影响：该弧岩浆成因的认识对制约俯冲带元素循环有新启发。混杂岩作为挥发分（水、碳等）的潜在重要储库，其与板片流体的共同作用，将对准确限定俯冲带挥发份循环这一难题提出重要参考。
· 未来工作：俯冲带结构、过程和产物极其复杂。该工作对弧岩浆成因取得了新认识，未来需要针对全球弧岩浆形成的共性规律与个性特征开展深入研究，进一步制约俯冲带的物质迁移与循环规律。
图5 西太平洋伊豆弧成因模式图
文章信息：
相关研究成果以“Arc magma formation through the fluid-fluxed mélange melting in subduction zones”为题，近日在线发表于Nature Communications，论文的第一作者是中国科大特任副研究员张伟，通讯作者是中国科大黄方教授和陈伊翔教授。共同作者还包括中国科大特任副研究员姜鼎盛、英国南安普顿大学Rex N. Taylor教授。本研究得到了国家自然科学基金（92562304, 42403003, 42273043）、中国博士后科学基金（2023M743359）、教育部基础与交叉学科突破计划（JYB205XDXM911）的支持。
原文链接：Zhang, W., Chen, Y.-X., Taylor, R.N., Jiang, D.S., Huang, F. Arc magma formation through the fluid-fluxed mélange melting in subduction zones. Nat. Commun. (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69726-0.
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