大陸地殼占地表面積約三分之一，是人類賴以生存的重要場所。在匯聚板塊邊緣，大陸地殼通過弧巖漿作用生長，俯沖侵蝕則通過俯沖板片刮削將上覆地殼帶入地幔楔，部分抵消了弧巖漿作用，因而對于維持現(xiàn)代大陸地殼的動態(tài)生長起到關鍵作用。前人通過沉積學和地球物理研究已證實俯沖侵蝕廣泛存在于環(huán)太平洋俯沖帶，但對于如何運用弧巖漿來示蹤俯沖侵蝕一直是學術界的難題。針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所地幔地球化學學科組劉海泉副研究員、徐義剛院士、黃小龍研究員，與李杰研究員、張樂高級工程師，菲律賓大學和德國亞琛工業(yè)大學學者合作，選擇呂宋弧Bataan段第四紀Cuyapo和Balungao埃達克巖作為研究對象(圖1)，運用Mo-Sr-Nd-Hf同位素體系及微量元素地球化學手段，揭示了馬尼拉俯沖體系的俯沖侵蝕過程。
圖1 呂宋弧中段Bataan地區(qū)簡圖及采樣位置；WVC-西火山鏈，EVC-東火山鏈。
鉬(Mo)同位素在俯沖板塊脫水或熔融過程中表現(xiàn)出強烈分餾的特性，重的Mo通過流體/熔體進入弧巖漿中，輕的Mo則滯留于俯沖板塊的殘留相。相對于大洋中脊玄武巖(MORB, δ98/95Mo=-0.21‰)，Cuyapo埃達克巖的δ98/95Mo值較低(-0.36 - -0.26‰)，結合其富集的Sr-Nd-Hf同位素組成和低的Ba/Nb比值(212-228) (圖2)，表明其輕Mo同位素與殘留板片的貢獻有關。Balungao埃達克巖則具有高的δ98/95Mo值(-0.18 ~ 0.00‰)、εNd值(+5.0 - +5.6)和Ba/Nb比值(259-286)，且其Mo-Sr-Nd-Hf同位素組成與呂宋弧中生代弧前基底巖石(Zambales Ophiolites, 三描禮士蛇綠巖, SSZ-型)和下地殼包體相近(圖2)，暗示該埃達克巖和弧前地殼的親緣性。另外，Balungao埃達克巖具有高的Sr/Y比值(175-763)和偏高的Nb/Ta比值(16-18)(圖3)，表明其巖漿源區(qū)存在金紅石和石榴石±角閃石組合(>~1.5 GPa=~45 km)。由于呂宋島地殼厚度較薄(地殼厚度~33 km)，無法達到下地殼拆沉所需的形成榴輝巖的壓力條件，最大的可能性是弧前地殼通過俯沖侵蝕進入到地幔楔中。因此，Balungao埃達克巖可能由俯沖侵蝕的地殼在地幔楔中熔融形成，其形成再現(xiàn)了呂宋島中生代蛇綠巖記錄的古俯沖信息。本項研究不僅從穩(wěn)定同位素的角度為俯沖侵蝕提供了新的制約，同時為俯沖帶廣泛存在的高δ98/95Mo、εNd和Ba/Nb巖漿的成因提供了新的解釋，揭示了俯沖侵蝕的弧前地殼對弧巖漿的貢獻。
圖2 A: 埃達克巖δ98/95Mo隨著Ce/Mo比值降低而升高。Balungao埃達克巖Mo同位素組成與呂宋弧下地殼包體相當(粉紅色區(qū)域)；B: 埃達克巖δ98/95Mo隨著Ba/Nb比值的升高而升高；C和D: Sr-Nd和Nd-Hf同位素圖解。Cuyapo埃達克巖與模擬的殘留板片熔體(南海玄武質洋殼:沉積物=85:15)的Sr-Nd-Hf同位素相當；Balungao埃達克巖的Sr-Nd-Hf同位素指向呂宋弧弧前基底巖石(包含呂宋弧下地殼包體和三描禮士蛇綠巖)。
圖3 A: 埃達克巖判別圖解。Cuyapo和Balungao埃達克巖具有高的Sr/Y比值和低的Y含量，指示源區(qū)存在角閃石±石榴石殘留；B: Nb/Ta和(Dy/Yb)N投圖。Cuyapo和Balungao埃達克巖Nb/Ta比值高于大洋中脊玄武巖，指示源區(qū)存在金紅石殘留。灰色箭頭指示了高鎂角閃石殘留導致的弧巖漿的演化趨勢。
該成果發(fā)表于國際學術期刊《Geology》。本研究受到國家自然科學基金委重大項目(41890812)、面上項目(41973011)和杰出青年科學基金項目(41625007)以及南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州) (GML2019ZD0202)項目的聯(lián)合資助。論文的Mo-Sr-Nd-Hf同位素數(shù)據(jù)在同位素地球化學國家重點實驗室完成。
論文信息：
Hai-Quan Liu(劉海泉)*, Jie Li(李杰), Yi-Gang Xu(徐義剛), Graciano P. Yumul Jr., Ulrich Knittel, Carla B. Dimalanta, Betchaida D. Payot, Karlo Quea？o, Xiao-Long Huang(黃小龍), Le Zhang(張樂). 2022. Heavy Mo isotope composition of northern Bataan adakites: evidence for fore-arc subduction erosion? Geology,
附件下載：