近日，中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李三忠教授团队联合国内外学者在俯冲带洋内岛弧岩浆产生过程中受上覆板片物质贡献方面取得重要研究进展，研究成果以“Assimilation of upper plate rocks at convergent margins contributes to the low δ¹⁸O isotopic signature of erupted magma”为题，在国际地学顶尖学术期刊Communications Earth & Environment上发表。

俯冲带是地球上各圈层间进行物质循环和能量传输的重要场所，也是地球科学研究的前沿和热点领域。岛弧岩浆作为俯冲带的重要产物，可以示踪俯冲物质的循环过程。岛弧岩浆成分的变化通常归因于下覆俯冲板片物质的脱水/熔融对地幔楔的交代，而上覆板片物质对岛弧岩浆，尤其是洋内弧岩浆成分变化的贡献如何还缺乏详细探讨。传统的研究认为，陆缘弧岩浆的产生需要穿过厚层陆壳，这个过程难免会受到上覆陆壳物质的混染，而洋内弧岩浆的产生只穿过成分简单的薄层洋壳，没有厚层陆壳物质的影响，因此上覆洋壳物质对洋内弧岩浆成分的贡献往往被忽略。然而，我们对马里亚纳俯冲带（图1）橄榄石氧同位素的最新研究发现，洋内弧岩浆的产生也会受到上覆洋壳物质的显著影响。

图1. 研究区地质图，研究样品来自于马里亚纳初始裂谷区域（NSP-24）、活动岛弧区域（NSP-21）和成熟弧后区域（MT-18）。

氧同位素（δ¹⁸O）可以很好记录岩浆演化过程信息。与地幔（δ¹⁸O=5.50 ± 0.20‰）相比，岩浆高氧同位素往往与低温热液蚀变过程有关，而低氧同位素则归因于高温热液蚀变的结果。前人对不同俯冲带典型岛弧/弧后全岩样品的研究发现，岛弧岩浆往往具有类似地幔或者轻微高的氧同位素组成（例如，马里亚纳海槽δ¹⁸O为5.71–6.04‰，劳海盆δ¹⁸O为5.53–6.06‰，马努斯海盆δ¹⁸O为5.28–6.68‰，冲绳海槽δ¹⁸O为6.0–6.6‰），因此认为岛弧岩浆的产生主要反映了俯冲板片所携带的高δ¹⁸O物质（如沉积物δ¹⁸O>10‰）的脱水/熔融对地幔楔的改造。然而，全岩代表的是岩浆演化的整体信息，很难对瞬时过程进行刻画。因此，为了更好的了解洋内弧岩浆的演化过程，我们对马里亚纳俯冲带不同构造阶段（初始裂谷、岛弧、弧后）熔岩内橄榄石进行了详细的氧同位素分析。

分析结果显示，马里亚纳不同区域橄榄石元素及氧同位素成分存在规律性变化，橄榄石演化程度（Fo值）与氧同位素变化呈正相关关系（图2）。原始的高Fo（85–90）的橄榄石具有地幔类似的氧同位素组成（δ¹⁸O=4.92-5.69‰），而演化的低Fo（<83）橄榄石氧同位素组成明显低于地幔，低至3.87 ± 0.30‰（图2）。这些低δ¹⁸O的橄榄石很难通过晚期橄榄石蚀变、岩浆分离结晶以及地幔熔融等过程解释。板片俯冲过程中高温热液蚀变的低δ¹⁸O下洋壳脱水/熔融对地幔楔的交代也不是主要原因，因为这个过程会导致地幔楔整体成分的变化，产生的原始橄榄石（高Fo）也应该继承低δ¹⁸O的特征，这与观察数据不符。另外，已有研究发现俯冲板片的熔融会产生与地幔相似或轻微高的δ¹⁸O熔体，很难对地幔楔单独贡献低δ¹⁸O熔体。同化混染-结晶分异（AFC）计算表明橄榄石Fo和δ¹⁸O间的这种正相关关系最合理的解释是，橄榄石在上升演化过程中混染了上覆板片高温热液蚀变的低δ¹⁸O围岩。与传统全岩研究相比，橄榄石和全岩之间氧同位素的这种明显差异进一步强调单矿物的原位微区分析能够更好地刻画岩浆演化的完整过程。

图2. 橄榄石元素及氧同位素变化图。演化程度较高的橄榄石（Fo<83）具有较低的氧同位素组成。

借助于马里亚纳俯冲带地球物理结构及模拟计算结果，发现这些低δ¹⁸O的围岩应位于上覆板片的下洋壳位置。板片俯冲过程中，由于受下覆板片的挤压，导致上覆板片产生大量断层，这些断层会促使海水下渗至下洋壳位置，并发生高温热液蚀变，导致在上覆板片形成一层低δ¹⁸O的围岩。洋内岛弧岩浆在喷出过程中会穿过这层低δ¹⁸O的围岩，并发生同化混染，导致演化的岩浆具有低δ¹⁸O的特征。该工作强调，在大洋板块中，除了洋中脊、俯冲带海沟外侧板片挠曲处等位置会发生明显的海水沿断层下渗，导致下洋壳发生高温热液蚀变以外，具有强烈弧岩浆活动的俯冲带上覆板片也是洋壳高温热液蚀变的重要场所（图3）。岛弧岩浆的产生会穿过上覆板片的高温热液蚀变层并发生同化混染，进而会影响弧岩浆的某些元素和同位素组成。因此，在洋内岛弧的研究过程中需要重视上覆板片物质对弧岩浆地球化学信号的改造，而这一因素在以往的研究中往往被忽略。

图3. 马里亚纳俯冲带不同构造背景下岩浆上升迁移模拟图。在俯冲带上覆板片存在低δ¹⁸O的高温热液蚀变层，岛弧岩浆上升过程中会混染这一岩层，导致演化的岩浆具有低δ¹⁸O的特征。

另外，我们统计目前已发表的橄榄石氧同位素数据发现，在全球不同地质背景下普遍存在橄榄石Fo和δ¹⁸O之间的正相关关系（图4），且演化程度高的橄榄石（低Fo）其δ¹⁸O值普遍较低。我们大胆推测在地球不同位置的浅部地壳普遍存在一层低δ¹⁸O的岩层，深部来源岩浆在喷出地表过程中会混染这一岩层，而导致演化的岩浆具有较低的δ¹⁸O的特征。然而，由于数据有限，这一猜想的验证还需要更多不同地质背景下橄榄石原位氧同位素的分析。

图4. 收集的全球不同位置橄榄石氧同位素数据。不同地质背景下橄榄石Fo与δ¹⁸O之间呈近似正相关关系。插图代表有橄榄石氧同位素报道的地理位置，数字代表对应的参考文献。

该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究经费等项目的资助。中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室李晓辉副教授为论文的第一作者和通讯作者，李三忠教授为论文共同通讯作者。共同作者还包括中国海洋大学索艳慧教授、陈龙副教授、来志庆高级工程师、钟源副教授、胡军副教授、戴黎明教授、张紫璇和王亮亮博士，以及美国德克萨斯大学达拉斯分校Robert J. Stern教授、日本地质调查局Osamu Ishizuka教授、山东省地矿局杨慧心工程师、自然资源部第一海洋研究所鄢全树研究员和中国科学院地质与地球物理研究所李秋立研究员等。

论文信息：Li, X.*, Zhang, Z., Li, S.*, Stern, R.J., Ishizuka, O., Yang, H., Suo, Y., Chen, L., Lai, Z., Zhong, Y., Hu, J., Wang, L., Dai, L., Yan, Q. and Li, Q. 2025. Assimilation of upper plate rocks at convergent margins contributes to the low δ¹⁸O isotopic signature of erupted magma. Communications Earth & Environment, 6(1), 515.

文章链接：https://doi.org/10.1038/s43247-025-02497-6