中国科大提出板片流体交代混杂岩熔融形成俯冲带弧岩浆的新机制

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院黄方教授团队与陈伊翔教授团队合作在俯冲带弧岩浆成因研究方面取得重要进展。研究基于钡稳定同位素“指纹”证据，提出了冷俯冲带环境下弧岩浆由板片流体交代混杂岩熔融形成的新机制，为理解俯冲带岩浆形成和地球内部物质循环机理提供了关键约束。相关成果以“Arc magma formation through the fluid-fluxed mélange melting in subduction zones”为题，最近在线发表于《自然·通讯》。

板块俯冲带是连接地球表层与内部的关键纽带，也是地球内外物质循环的核心地带。俯冲带广泛发育弧火山作用，所形成的岩浆岩普遍富集钡等不相容元素，一般认为与俯冲板片物质的加入相关。然而，国际学术界对弧岩浆形成的两大核心问题，即板片物质的具体组分以及它们如何运移到弧下地幔，存在巨大争议。

为厘清这一争议，研究团队选取全球典型冷俯冲带——西太平洋的伊豆弧为研究对象。该弧火山链分布规则、地壳混染影响较弱，是研究俯冲带物质迁移机制的理想天然实验室。岛弧中钡的来源和富集机制对理解其成因至关重要。基于以上考虑，团队利用高精度钡稳定同位素分析这一前沿技术，对伊豆弧火山岩进行了系统研究，并与全球岛弧数据进行对比。

图1.西太平洋伊豆弧成因的Ba-Sr-Nd同位素组成混合模拟结果

研究发现，伊豆弧岩浆的Ba-Sr-Nd同位素及微量元素组成特征不能用流行的流体交代地幔楔熔融或混杂岩模型来解释，而与“混杂岩底辟-板片流体交代熔融”两阶段过程很好吻合（图1）。据此，研究团队提出了弧岩浆的两阶段形成过程：（1）在较浅俯冲深度，沉积物与地幔橄榄岩在板片界面混合形成混杂岩，并以底辟形式上升进入地幔楔；（2）当板片俯冲至弧下深度时，蚀变洋壳（AOC）脱水释放流体向上交代混杂岩源区，并导致其熔融形成弧岩浆（图2）。

图2.西太平洋伊豆弧成因模式图

通过统计全球冷俯冲带弧岩浆数据，团队进一步发现，汤加-克马德克弧等其他冷俯冲带岛弧的数据也可以利用该过程来解释，凸显了所提出模型的适用性。

该研究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。混杂岩作为挥发份（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新的挑战。

论文第一作者为中国科大特任副研究员张伟，通讯作者为黄方教授和陈伊翔教授。合作者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。研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金及教育部基础与交叉学科突破计划资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69726-0

(地球和空间科学学院、科研部)