俯沖作用是地球物質(zhì)循環(huán)的重要方式，它將地殼物質(zhì)攜帶至軟流圈地幔乃至下地幔底部的核幔邊界。地幔楔受到俯沖板片釋放的流體或熔體交代后發(fā)生熔融形成島弧巖漿。通過(guò)研究島弧火山巖的元素和同位素組成可以有效地示蹤發(fā)生在俯沖帶的物質(zhì)遷移和傳遞過(guò)程。
由于地幔橄欖巖與俯沖地殼物質(zhì)的氧同位素組成之間存在非常大的差異，因此是研究俯沖物質(zhì)循環(huán)的重要手段。大量的研究表明上地幔具有均一的氧同位素組成（δ18O=5.18±0.28‰），而俯沖的低溫蝕變洋殼的δ18O值為+6‰~+12‰，其上方覆蓋的不同類型沉積物的氧同位素組成則為+12‰~+25‰。對(duì)島弧巖漿及其橄欖石斑晶的氧同位素研究表明部分島�。ㄈ鏜ariana，Vanuatu和New Caledonia）巖漿的δ18O值明顯高于地幔，表明其地幔源區(qū)可能遭受了地殼物質(zhì)的改造。然而，俯沖帶橄欖巖包體的氧同位組成與正常上地幔值并無(wú)差異。其原因一方面可能是現(xiàn)有的俯沖帶橄欖巖包體并不完全代表受俯沖物質(zhì)交代的地幔，另一方面則可能是俯沖板片釋放的流體或熔體在交代地幔楔之前已經(jīng)與地幔達(dá)到了氧同位素平衡。相對(duì)于俯沖板片釋放的流體或熔體而言，地幔是更大的氧同位素儲(chǔ)庫(kù)，其氧同位素具有很大的緩沖能力，因此少量的流體或熔體并不能明顯改變地幔的氧同位素組成。
針對(duì)俯沖帶是否存在高δ18O值的地幔這一科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化研究室副研究員劉傳周利用二次離子探針對(duì)西藏賽利普中新世超鉀質(zhì)火山巖所攜帶的9個(gè)橄欖巖包體中的橄欖石進(jìn)行了氧同位素研究。在印度與歐亞板塊碰撞后，整個(gè)青藏高原發(fā)育有大面積的鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)火山巖。其中，在藏南的賽利普地區(qū)（圖1），中新世超鉀質(zhì)火山巖攜帶有個(gè)體非常小的橄欖巖包體。他們之前的研究表明這些橄欖巖包體來(lái)自于大陸巖石圈地幔，并遭受到了強(qiáng)烈的俯沖物質(zhì)的交代作用（詳見(jiàn)Liu et al., 2011, Geology, 39(10): 923-926)。這些俯沖物質(zhì)的來(lái)源可能為消亡的新特提斯洋殼及其上覆的深海沉積物或者風(fēng)化剝蝕后搬運(yùn)至洋殼的印度陸殼物質(zhì)。
他們的研究表明，同一個(gè)樣品中不同顆粒橄欖石顆粒具有均一的氧同位素組成。其中8個(gè)樣品的橄欖石的氧同位素組成（δ18O=5.27±0.27‰）與上地幔值一致，而另外一個(gè)樣品（SLP105）中橄欖石的氧同位素組成（δ18O=8.03±0.28‰）則明顯高于上地幔值（圖2）。結(jié)合這些包體的其它礦物地球化學(xué)資料，他們排除了樣品SLP105中橄欖石的高δ18O值是由于寄主巖漿的擴(kuò)散作用和熔巖反應(yīng)這兩種可能性造成的，認(rèn)為其高δ18O值反映了其來(lái)源的巖石圈地幔的特征。
單斜輝石和斜方輝石的微量元素資料（圖3）表明具有正常氧同位素組成的賽利普包體可能遭受了俯沖熔體的交代作用，但這些俯沖熔體在交代作用發(fā)生之前已經(jīng)與周邊地幔達(dá)到了氧同位素平衡，因此交代作用只是改變了賽利普地幔包體的微量元素組成，而并沒(méi)有影響其氧同位素組成。具有高氧同位素的樣品SLP105則是遭受了俯沖流體的交代作用，這些流體在交代作用之前并沒(méi)有與地幔達(dá)到氧同位素平衡，因此仍保留有高δ18O值，從而導(dǎo)致樣品SLP105在遭受交代作用后，橄欖石的δ18O出現(xiàn)明顯的升高。這種流體可能是從板片釋放出來(lái)直接進(jìn)入了上覆的巖石圈地幔。在正常俯沖體制下，地幔楔的存在使得俯沖流體或熔體在進(jìn)入到上覆的巖石圈地幔之前往往在運(yùn)移過(guò)程中與橄欖巖達(dá)到平衡而具有正常地幔的氧同位素值。而在平板俯沖過(guò)程中，俯沖板片與上覆巖石圈地幔之間并不存在大規(guī)模的地幔楔，因此俯沖板片釋放出的流體或熔體可以快速進(jìn)入到上覆的巖石圈地幔，從而保存其高δ18O的特征。
基于賽利普包體的研究結(jié)果，劉傳周等人提出在島弧下方的巖石圈地幔中存在有高δ18O的儲(chǔ)庫(kù)。在正常的構(gòu)造環(huán)境下，這些高δ18O的地幔儲(chǔ)庫(kù)并不參與島弧巖漿的形成。然而，在某些特殊的構(gòu)造環(huán)境下，如島弧拉張，軟流圈上涌，會(huì)誘發(fā)這些高δ18O地幔發(fā)生部分熔融，形成具有高δ18O特征的島弧巖漿。另一方面，地幔楔熔融形成的島弧巖漿在上升噴發(fā)過(guò)程中，高δ18O巖石圈地幔的混染作用可以導(dǎo)致島弧巖漿具有高δ18O的特征。
該研究成果于2月28日在線發(fā)表在Nature出版集團(tuán)下屬在線出版期刊Scientific Reports上（Liu et al. A ‘hidden’ 18O-enriched reservoir in the sub-arc mantle. Scientific Reports, 2014, 4: 4232, DOI: 10.1038/srep04232）。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（B類）資助。
圖1 賽利普地幔包體的采樣位置
圖2 賽利普地幔包體的氧同位素組成
圖3 賽利普地幔包體的單斜輝石和斜方輝石的微量元素組成
