地幔楔熔融是俯冲带岩浆作用最重要的成因机制。实验岩石学表明水含量的增加可以有效地提高地幔橄榄岩的熔融程度。通常认为水的加入是地幔楔发生熔融的主要原因。全球俯冲板片具有不同的热状态，其脱水或熔融过程会释放不同数量的水进入地幔楔。全球岛弧水通量的巨大差异应该造成地幔楔不同程度的熔融，但目前估算的全球岛弧水通量与岛弧玄武岩成分之间缺少相关性，因而对于水在地幔楔熔融过程中的作用仍存在疑问。

针对该问题，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组博士后于洋、黄小龙研究员及其合作者对阿尔泰南缘哈巴河地区的一套与准噶尔洋俯冲过程有关的晚泥盆世-早石炭世基性岩墙(图1)进行了系统的B同位素研究。

Type-I, II, III, IV = Type-I, II, III, IV mafic dykes

研究结果表明，哈巴河地区的基性岩墙具有不同的B含量及B同位素组成(图2)，反映其地幔源区包含多种俯冲组分。其中第一类和第三类岩墙B/Nb比和δ11B值较低，指示其地幔源区分别受来自俯冲沉积物和俯冲洋壳的熔体交代。第二类和第四类岩墙具有相对较高的B/Nb比和δ11B值，表明其地幔源区除包含来自俯冲沉积物的组分外，还受到俯冲蛇纹岩产生的流体交代(图3)。　　  
图2. 哈巴河镁铁质岩墙B-Sr-Nd-Hf-Pb同位素特征

Type-I, II, III, IV = Type-I, II, III, IV mafic dykes; DM = depleted mantle; SSD = subducted sediments; Serp = serpentinite; AOC = altered oceanic crust; CA = Central America arc; TKNZ = Tonga-Kermadec-New Zealand arc

 

图3. 中国阿尔泰古生代洋脊俯冲导致俯冲板片脱水与熔融

哈巴河镁铁质岩墙具有不同的B/Nb比值，且与Zr/Yb和Nb/Yb呈负相关关系(图4)，指示其地幔源区随着水含量的升高而发生了更高程度的熔融。该现象同样发生在全球岛弧玄武岩中。除此之外，全球岛弧玄武岩的B/Nb与其地球化学成分具有良好的相关性(图5)，表明水通量对全球地幔楔熔融和岛弧玄武岩成分具有重要的控制作用。本研究为理解俯冲带地幔楔熔融过程和岩浆作用提供了新的理论依据和思路。

 
图4. 哈巴河镁铁质岩墙B/Nb与Zr/Yb和Nb/Yb相关性

Type-I, II, III, IV = Type-I, II, III, IV mafic dykes; CA = Central America; TKNZ = Tonga-Kermadec-New Zealand; IAB = island arc basalt

 
 

图5. 全球岛弧玄武岩B/Nb与主、微量元素相关性

该研究主要受国家自然科学基金(41890812, 41902056, 41625007)资助，已发表于国际期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

论文信息：Yu Y., Huang X.L.*, Sun M., Ma J.L. (2021) B isotopic constraints on the role of H2O in mantle wedge melting. Geochimica et Cosmochimica Acta 303, 92–109.

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.03.032.

(同位素地球化学国家重点实验室供稿)