二十世紀地球科學(xué)的革命性突破是提出了板塊構造理論，起始俯沖是板塊構造理論中研究最為薄弱的環(huán)節。西太平洋板塊于~52 Ma沿伊豆–小笠原–馬里亞納(IBM) 發(fā)生起始俯沖，是國際地學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)，美國自然科學(xué)基金委相繼啟動(dòng)了MARGINS和GeoPRISMS等研究計劃，長(cháng)期關(guān)注和支持IBM相關(guān)研究。國際大洋發(fā)現計劃 (IODP) 及其前身三次部署IBM弧前鉆探：1978年DSDP Leg 60，1989年ODP Leg 125和2014年IODP 352航次 (圖1)。

　　圖1 IODP 352航次(U1439-1442)鉆位及火成巖柱狀圖。弧前玄武巖(FAB)和玻安巖根據巖性、產(chǎn)狀、形成時(shí)代和地球化學(xué)特征被分別劃分為脊軸(axial)和離軸(off-axis)系列。

　　弧前玄武巖和玻安巖被認為是與起始俯沖密切相關(guān)的兩類(lèi)巖石，其成因研究是解讀起始俯沖過(guò)程的突破口，但是此前研究一直沒(méi)有發(fā)現這些巖石的化學(xué)組成與俯沖起始之間的聯(lián)系（Pearce et al., 1992, 1999; Reagan et al., 2010)。廣州地化所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室李洪顏特任研究員通過(guò)參加IODP 352航次，獲取了小笠原弧前玄武巖和玻安巖樣品，與英國卡迪夫大學(xué)Julian Pearce教授、美國南弗羅里達大學(xué)Jeffrey Ryan教授等人開(kāi)啟了長(cháng)期的國際合作。李洪顏等人通過(guò)對IODP 352航次樣品詳細的地球化學(xué)研究，取得如下重要認識：

　　(1) 首次揭示了玻安巖與板塊起始俯沖的成因聯(lián)系，發(fā)現了西太平洋板塊起始俯沖的關(guān)鍵巖石地球化學(xué)證據

　　弧前玄武巖并不富集Cs–Rb–Ba–Pb–Sr等流體活動(dòng)性元素，微量元素和Hf–Nd–Pb–Sr同位素聯(lián)合示蹤揭示它們起源于虧損的印度洋型地幔 (M; 圖2和3)，源區未受俯沖組分影響。通過(guò)玻安巖的研究發(fā)現：① 玻安巖同時(shí)富集Cs–Rb–Ba–Pb–Sr等流體活動(dòng)性元素和Zr–Hf高場(chǎng)強元素；② 早期的脊軸 (axial) 低硅玻安巖同位素組成由印度洋型演化為太平洋型 (圖2和3)，eHf與Sm/Hf，Ti/Hf和Nd/Hf成正相關(guān) (如圖2c)，其富集組分主要為蝕變洋殼熔體，沉積物貢獻不明顯 (M+S1; 圖3)；③ 晚期的離軸 (off-axis) 高硅玻安巖Hf同位素變化不明顯，Sr–Nd–Pb同位素變化明顯，其源區受到沉積物和蝕變洋殼流體的進(jìn)一步交代 (H+S2; 圖2d和3)。這些研究顯示，經(jīng)歷弧前玄武巖熔體提取的殘留地幔，被初始俯沖的太平洋板塊角閃巖相熔體交代并導致其進(jìn)一步熔融形成玻安巖。

 　　圖2 (a) 菲律賓板塊和太平洋板塊玄武巖eHf–eNd對比圖解；(b) IODP 352航次玄武巖和玻安巖的eHf–eNd、(c) eHf–Sm/Hf和 (d) eNd–Hf/Nd圖解。M：弧前玄武巖地幔；S1：俯沖板塊角閃巖相熔體成分；H：熔體交代的弧前玄武巖殘留地幔；S2：沉積物+蝕變洋殼流體成分。

　　用玻安巖的形成來(lái)表征西太平洋板塊起始俯沖此前備受爭議，因為在弧后盆地也可以形成玻安巖 (Resing et al., 2011)。Peacock et al. (1994) 通過(guò)熱力學(xué)計算研究表明兩種洋殼可能發(fā)生低壓熔融：年輕的洋殼 (< 30 Ma) 發(fā)生俯沖和初始俯沖的洋殼 (俯沖的洋殼總長(cháng)度< 200km)。理論上，IBM起始俯沖會(huì )伴隨著(zhù)洋殼低壓熔融，但是卻從未被證實(shí)。該研究發(fā)現小笠原玻安巖的地幔源區經(jīng)歷了洋殼熔體的交代，首次厘清了IBM玻安巖與板塊起始俯沖的內在聯(lián)系，認為洋殼角閃巖相熔融是起始俯沖的一個(gè)重要標志。

 　　圖3 IODP 352航次玄武巖和玻安巖之多元同位素成因解釋圖解。Δ8/4 (Pb) 是在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb投圖中相對北半球參考線(xiàn)的偏離程度，印度洋型地幔以Δ8/4>20區別于太平洋型地幔。M：弧前玄武巖地幔；S1：俯沖板塊角閃巖相熔體成分；H：熔體交代的弧前玄武巖殘留地幔；S2：沉積物+蝕變洋殼流體成分; PPS: 太平洋遠洋沉積物; AOC: 蝕變洋殼。

　　(2) 提出西太平洋板塊起始俯沖的新模型

　　在充分考慮弧前玄武巖源區無(wú)明顯的俯沖組分、初始俯沖板塊經(jīng)歷了角閃巖相熔融以及沉積物僅貢獻于晚期離軸玻安巖等觀(guān)察事實(shí)的基礎之上，提出了西太平洋板塊起始俯沖的新模型 (圖4)：A) 起始俯沖發(fā)生于Izanagi板塊和太平洋板塊之間的轉換斷層；B) 慢速、低角度的起始俯沖導致弧前形成沉積物增生楔；C) 當初始俯沖板塊深達榴輝巖相時(shí)發(fā)生相變而快速下沉和后撤，導致弧前地幔強烈減壓熔融形成弧前玄武巖；D) 伴隨著(zhù)俯沖板塊的進(jìn)一步下沉，洋殼表面被迅速加熱發(fā)生角閃巖相熔融，熔體交代地幔楔并促使其熔融形成脊軸低硅玻安巖 (M+S1)；E) 伴隨著(zhù)俯沖板塊的持續下沉和后撤，側向俯沖成型，被增生的沉積物進(jìn)入地幔，釋放流體導致地幔楔發(fā)生進(jìn)一步熔融形成離軸高硅玻安巖 (H+S2)。

 　　圖4 西太平洋板塊起始俯沖模型卡通圖

　　Uyeda和Ben-Avraham (1972) 最早提出西太平洋板塊俯沖起始于太平洋和菲律賓板塊之間的轉換斷層。Stern和Bloomer (1992) 和Stern (2004) 發(fā)展了該模型，使之成為西太平洋板塊起始俯沖最受關(guān)注的模型之一。Stern等的模型無(wú)法解釋弧前玄武巖至玻安巖源區成分的變化，李洪顏等人對這一模型進(jìn)行了修訂 (圖4)。IBM弧前地體與世界上一些經(jīng)典的SSZ型蛇綠巖套 (例如塞浦路斯的Troodos和阿曼的Semail) 在巖石組合上具有很大的相似性，所以上述成果對于研究蛇綠巖的成因具有重要啟示。

　　該研究受到中科院先導專(zhuān)項 (B類(lèi)) “地球內部運行機制與表層響應 (XDB18000000)”和國家海洋局專(zhuān)項“全球變化與海氣相互作用 (GASI-GEOGE-02)”聯(lián)合資助，研究成果發(fā)表于Earth and Planetary Science Letters。

　　Li, H.Y., Taylor, R.N., Prytulak, J., Kirchenbaur, M., Shervais, J., Ryan, J.G., Godard, M., Reagan, M.K. and Pearce, J.A. 2019. Radiogenic Isotopes Document the Start of Subduction in the Western Pacific. Earth and Planetary Science Letters 518, 197–210.