西太平洋板塊俯沖起始發育成熟新模型獲揭示

板塊構造理論是固體地球科學的基石，雖然它的提出已經超過了50年，但是板塊俯沖如何開始-發育-成熟這一關鍵科學問題仍然沒有得到很好的解答。此前研究認為西太平洋伊豆-小笠原-馬里亞納（IBM）俯沖帶的形成是地球上自發式起始俯沖的典范，表現為太平洋板塊在重力作用下的垂向下沉。

圖1 研究區地質圖和采樣位置圖

近日，中國科學院廣州地球化學研究所李洪顏研究員、徐義剛研究員和李翔博士，美國南佛羅里達大學Jeffrey G. Ryan教授和西北大學張超教授，分析了IODP 352航次鉆取的小笠原群島弧前玻安巖的B-Sr-Nd-Pb-Hf同位素和主-微量元素（~ 51.3-50.3 Myr; 圖1 U1439和U1442），識別出早期形成的低硅玻安巖源區含有俯沖太平洋板塊下洋殼輝長巖的熔體，無沉積物和蝕變玄武巖貢獻，而晚期形成的高硅玻安巖源區卻含有沉積物和蝕變玄武巖的流體。

圖2 西太平洋板塊起始俯沖模型卡通圖

該研究揭示出IBM板塊俯沖起始表現為太平洋板塊側向擠入到原菲律賓板塊之下（圖2），而非之前認為的垂向下沉。新的研究揭示最早期的低角度俯沖導致俯沖板塊表面的沉積物和蝕變玄武巖被刮削增生到初生海溝位置，因此最早發生熔融的板塊物質是下洋殼輝長巖（熔融溫度900至950 ℃），當高角度俯沖開始，增生楔物質被俯沖，但是因為俯沖板塊與初生地幔楔界面溫度降低，新俯沖的沉積物和蝕變玄武巖無法發生熔融，僅能發生脫水（最高溫度780至840°C）交代低硅玻安巖殘余地幔并激發其進一步熔融形成高硅玻安巖。伴隨俯沖帶的進一步發育，新的俯沖板塊物質被源源輸入，初生地幔楔被降溫，50 Myr之后，巖漿活動向西躍遷~80 km至Mukojima和Hahajima島（圖1; 48-46 Myr），44 Myr之后島弧發育成熟。研究發現初始俯沖板塊熔融-脫水過程無蛇紋巖的貢獻，明顯區別于成熟島弧。在成熟島弧，俯沖板塊在弧前深度低溫脫水導致上覆地幔蛇紋巖化，蛇紋巖化地幔被俯沖侵蝕進入深部俯沖隧道 (> 80 km)，蛇紋巖分解釋放流體導致弧火山作用（Li et al., 2021 Nat. Commun.）。該研究揭示IBM起始俯沖可能是全球板塊構造調整背景之下的被動產物。

研究成果發表于國際學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）。本項研究受到國家自然科學基金（41922020）、中科院戰略先導專項B（XDB42020201，XDB18000000）和南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州）（GML2019ZD0202）項目的聯合資助。論文的B同位素數據在中國科學院廣州地球化學研究所公共技術服務中心元素與同位素分析平臺完成測試，分析精度國際領先。

論文信息：Li, H.Y., Li, X., Ryan, J.G., Zhang, C., and Xu, Y.G. 2022. Boron isotopes in boninites document rapid changes in slab inputs during subduction initiation. Nat Commun 13, 993. https://doi.org/10.1038/s41467-022-28637-6