趙仁杰 鄢全樹, 3 張海桃 關(guān)義立 石學(xué)法

1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590 2.自然資源部第一海洋研究所，海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266061 3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266061

全球匯聚板塊邊緣根據(jù)上覆板塊剝蝕物質(zhì)(前緣剝蝕及底部剝蝕)和增生物質(zhì)(前緣增生及底侵增生)之間的平衡關(guān)系，可以劃分為剝蝕邊緣和增生邊緣(von Huene and Scholl, 1991; Cliftetal., 2009a; Straubetal., 2020; 趙仁杰等, 2020)。在剝蝕邊緣，上覆板塊弧前區(qū)域可能經(jīng)歷剝蝕和結(jié)構(gòu)坍塌形成前緣剝蝕，同時(shí)其底部可能經(jīng)歷由水壓致裂和磨蝕造成的底部剝蝕，這些過程將地殼物質(zhì)帶入俯沖帶(Pichonetal., 1993; von Hueneetal., 2004; Cliftetal., 2009b; Scholl and von Huene, 2009; Saffer and Tobin, 2011)。通常認(rèn)為俯沖剝蝕過程只將大陸地殼物質(zhì)帶入地幔中，然而隨著對(duì)上覆板塊弧前結(jié)構(gòu)及組分研究的不斷深入，弧前剝蝕的物質(zhì)可能還包含增生洋殼以及增生沉積物，這些剝蝕再循環(huán)物質(zhì)對(duì)俯沖帶巖漿作用以及地幔不均一性作出重要的貢獻(xiàn)(Plank and Langmuir, 1998; Workmanetal., 2004; Goss and Kay, 2006; Willbold and Stracke, 2006; Straubetal., 2015, 2020)。因此，確定俯沖剝蝕物質(zhì)組分是研究剝蝕型匯聚板塊邊緣物質(zhì)再循環(huán)的先決條件。

自早中新世以來，中美洲俯沖帶已經(jīng)從增生邊緣演化成典型的剝蝕邊緣(Vannucchietal., 2003)。目前中美洲海溝走向在哥斯達(dá)黎加南部發(fā)生向陸的彎曲，這可能與科科斯脊的俯沖有關(guān)(Vannucchietal., 2013; Lietal., 2018)。前人對(duì)哥斯達(dá)黎加南部弧前陸架層序重建的研究表明，科科斯脊俯沖造成弧前大量的俯沖剝蝕，并在初始的0.3Ma期間移除了體積達(dá)1.2×106km3的物質(zhì)，形成典型的“弧前沉積(弧前由于底部被俯沖剝蝕移除，陸源沉積物直接在弧前沉積)”，接受了大量的陸源沉積(Vannucchietal., 2013, 2016a)。盡管從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地球物理角度的研究指出該區(qū)域上覆板塊基底存在明顯的剝蝕現(xiàn)象，但是由于鉆探取樣技術(shù)有限，人們?nèi)晕传@得中美洲俯沖帶南部弧前的基底巖石樣品。前人在俯沖再循環(huán)的研究中使用中美洲俯沖帶南部(中美洲俯沖帶南部指哥斯達(dá)黎加中部到巴拿馬之間的區(qū)域，分界線見圖1a中黃色實(shí)線)弧前露頭中的蛇綠巖套組分代表剝蝕端元組分(Goss and Kay, 2006)，但該觀點(diǎn)還存在爭(zhēng)議。此外，在中美洲俯沖帶的“俯沖物質(zhì)淺部再循環(huán)產(chǎn)物”(大陸弧火山巖)中可能保存了俯沖剝蝕物質(zhì)參與俯沖物質(zhì)再循環(huán)的直接證據(jù)(Straubetal., 2020)。

圖1 地質(zhì)背景及樣品描述

本文對(duì)綜合大洋鉆探計(jì)劃344航次兩個(gè)站位(U1380和U1413)所獲得的沉積物樣品進(jìn)行研究。由于兩個(gè)站位均未獲得基底巖石，本文對(duì)鉆孔中沉積物的粗碎屑層位開展了系統(tǒng)的主、微量元素及Sr-Nd-Pb-Hf同位素地球化學(xué)分析，將其與中美洲俯沖帶南部不同年齡的大陸弧火山巖、中美洲俯沖帶南部弧前基底(Goss and Kay(2006)選用的俯沖剝蝕端元)、加勒比大火成巖省基底組分及古加拉帕戈斯熱點(diǎn)軌跡組分進(jìn)行對(duì)比，確定中美洲俯沖帶南部上覆板塊基底組分。此外，本文還探討了俯沖剝蝕物質(zhì)對(duì)中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖成因的可能影響。

1 地質(zhì)背景和樣品描述

在東太平洋海隆東側(cè)，兩個(gè)次一級(jí)的構(gòu)造板塊(科科斯板塊和納茲卡板塊)正沿著中美洲海溝向加勒比板塊俯沖，是研究俯沖剝蝕邊緣的典型區(qū)域(圖1a)(Carretal., 2004; 李永祥等, 2013; 鄢全樹和石學(xué)法, 2014)。沿中美洲海溝走向，輸入板塊的匯聚速率、火山弧地殼厚度、俯沖角度、年齡、組分等均存在顯著的差異(Carretal., 1990; Lyleetal., 1995; Barckhausenetal., 2001; DeMets, 2001)。從危地馬拉到哥斯達(dá)黎加，科科斯板塊和加勒比板塊之間的匯聚速率從60mm/yr增加到90mm/yr(DeMets, 2001)?；∠碌貧ず穸葟奈５伛R拉(48km)向尼加拉瓜(32km)逐漸減小，然后向南又逐漸增厚，在哥斯達(dá)黎加其厚度達(dá)到32～40km(Carretal., 1990)。俯沖角度從尼加拉瓜的60°減小到哥斯達(dá)黎加中部的40°(Lyleetal., 1995)，而在哥斯達(dá)黎加南部接近平板俯沖。從危地馬拉到哥斯達(dá)黎加北部(中美洲俯沖帶北部，分界線見圖1a中黃色實(shí)線)，俯沖洋殼年齡大約為24.0Ma，是東太平海隆擴(kuò)張形成的科科斯板塊，其組分類似于大洋玄武巖(Barckhausenetal., 2001; Walker and Gazel, 2014)。然而，自哥斯達(dá)黎加中部到巴拿馬(中美洲俯沖帶南部，分界線見圖1a中黃色實(shí)線)，俯沖板塊被科科斯脊及西北側(cè)海山群覆蓋，其組分為洋島玄武巖，年齡大約為13.0～14.5Ma(Carretal., 1990; Dziermaetal., 2011; Walker and Gazel, 2014)?？瓶扑辜辜拔鞅眰?cè)海山群是加拉帕戈斯熱點(diǎn)與科科斯-納茲卡擴(kuò)張中心相互作用形成，科科斯脊長(zhǎng)約1000km，寬200～300km，比周圍海底高2km(Werneretal., 2003; Harppetal., 2005)。俯沖洋殼地形的差異造成中美洲海溝俯沖剝蝕速率的不同，中美洲俯沖帶北部自早中新世正常洋殼俯沖以來，剝蝕速率為11.3～13.4km3/Myr/km；而中美洲俯沖帶南部，自科科斯脊開始俯沖，短期的俯沖剝蝕速率可達(dá)1125km3/Myr/km，平均為108～123km3/Myr/km(Vannucchietal., 2013, 2016b)。同時(shí)，在中美洲火山弧南部，大陸弧火山巖在晚中新世發(fā)生顯著變化，鈣堿性的火山巖在～6Ma停止，同時(shí)出現(xiàn)堿性玄武巖和埃達(dá)克質(zhì)巖，這些火山巖均具有加拉帕戈斯熱點(diǎn)的同位素和微量元素特征，可能是由于俯沖樣式變化造成的(Abratis and W?rner, 2001; Gazeletal., 2009, 2011; Morelletal., 2012; Morell, 2015)。最近根據(jù)火山巖的同位素地球化學(xué)數(shù)據(jù)和地震各向異性的綜合分析，發(fā)現(xiàn)從哥斯達(dá)黎加到尼加拉瓜的弧下地幔楔中存在平行于海溝的物質(zhì)流(Hoernleetal., 2008)。

為了探索大地震的成因機(jī)理與破壞過程，綜合大洋鉆探計(jì)劃334和344航次在中美洲俯沖帶南部哥斯達(dá)黎加西部奧薩半島附近的海域?qū)嵤┝算@探，站位分布在俯沖板塊和上覆板塊(Harrisetal., 2013a)。其中站位U1380(8°35.99′N、84°4.39′W，水深502.7m)和U1413(8°44.46′N、84°6.80′W，水深540.0m)分別位于上覆板塊陸坡的中部和上部。兩站位的科學(xué)目標(biāo)之一均為獲得上覆板塊基底巖石的性質(zhì)、組分及物理特征，然而在實(shí)際實(shí)施過程中均未獲得基底巖石(圖1b)，兩個(gè)站位詳細(xì)的巖性單元見圖1c(Harrisetal., 2013b, c)。本文選取U1380站位中5個(gè)層位：1個(gè)位于巖性單元ⅡA(深度為556.01m，巖性為含貝殼碎屑的粗砂)、2個(gè)位于巖性單元ⅡB(深度分別為701.61m和764.38m，巖性分別為粘土質(zhì)粉砂和粉砂巖)、2個(gè)位于巖性單元Ⅲ中(深度為789.82m和796.98m，巖性均為粉砂質(zhì)粘土巖)，對(duì)以上層位進(jìn)行主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素測(cè)試；選取U1413站位中5個(gè)層位：2個(gè)位于巖性單元Ⅱ(深度為162.21m和170.78m，巖性均為粉砂質(zhì)粘土巖)、3個(gè)位于巖性單元Ⅲ(深度分別為446.78m、513.56m和578.35m，巖性分別為粉砂巖，砂巖以及砂質(zhì)粉砂巖)，其中上部的四個(gè)層位分別進(jìn)行主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素測(cè)試，最底部的層位只進(jìn)行Sr-Nd-Pb-Hf同位素測(cè)試。

2 分析方法

2.1 主、微量元素分析

實(shí)驗(yàn)將凍干后的樣品研磨成200目，在105℃的烘箱中烘干3小時(shí)，取0.05g的樣品加入特氟龍熔樣內(nèi)膽中，然后加入1.50mL高純HNO3和1.50mL高純HF，加蓋及鋼套密閉，放入195℃的烘箱48小時(shí)，將冷卻后的熔樣內(nèi)膽取出放在電熱板上蒸干。然后再加入1mL HNO3并再次蒸干。最后加入3mL高純HNO3和0.5mL Rh內(nèi)標(biāo)溶液，置于150℃的烘箱中24小時(shí)，冷卻后，將提取液轉(zhuǎn)移至聚酯瓶中，用Mill-Q水稀釋待測(cè)。主量元素除了SiO2外，在自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用電感耦合等離子光學(xué)發(fā)射光譜法(ICP-OES)測(cè)定；SiO2是在山東第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院利用X射線熒光光譜法測(cè)試。微量元素在自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)完成。對(duì)于含量>1.0%的主量元素，精度為±0.2%～2%，微量元素的精度<10%。同時(shí)測(cè)定了燒失量。標(biāo)樣為BHVO-2，測(cè)定值與推薦值在誤差范圍內(nèi)是一致的(見表1)。

2.2 Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析

稱取50mg研磨至200目的樣品于聚四氟乙烯(PTFE)熔樣瓶中，加入2mL HF、1.5mL HNO3和0.2mL HClO4，擰緊瓶蓋，將熔樣瓶置于120℃電熱板上加熱約一周至其完全溶解。熔樣完全后，開蓋蒸干，再升溫至180℃，去除殘余HClO4。用于Sr、Nd同位素測(cè)試的樣品蒸干后，用2.5mL/L的HCl將樣品溶解，然后轉(zhuǎn)移到離心管中，離心后吸取上清液，采用AG50W-X12樹脂離子交換柱進(jìn)行Sr和REE的化學(xué)分離，接收下來的REE再用P5O7萃淋樹脂離子交換柱分離Sm和Nd；用于Pb同位素測(cè)試的樣品蒸干后，用0.6mL/L的HBr溶解樣品，離心后吸取上清液，采用AG1-X8樹脂離子交換柱進(jìn)行Pb同位素的化學(xué)分離。沉積物Hf同位素采用堿熔法溶樣，稱取0.5g研磨至200目的樣品粉末與1g的Li2B4O7混合均勻，在鉑金坩堝中用Rigaku高頻全自動(dòng)熔樣機(jī)在1250℃熔融并冷卻制成玻璃片，然后用高壓壓片機(jī)將玻璃片壓碎，稱取0.3～0.4g上述樣品于樣品瓶中，加入6～8mL 2.5M HCl，將樣品并置于60℃的電熱板上加熱直至完全溶解。將溶解好的樣品離心，以備上柱分離Hf。分離Hf和基體元素以及干擾元素采用HCl-單柱Ln-Spec提取色譜方法。

Sr、Nd、Pb同位素測(cè)試采用高精度多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP MS)完成，該測(cè)試工作在自然資源部海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。在測(cè)試過程中Sr同位素測(cè)試的標(biāo)樣為NBS987，測(cè)定值為87Sr/86Sr=0.710268±7(2σ)，Nd同位素測(cè)試的標(biāo)樣為Shin Etsu JNdi-1，測(cè)定值為143Nd/144Nd=0.512120±3(2σ)，Pb同位素測(cè)試的標(biāo)樣為NBS981，測(cè)定值為206Pb/204Pb=16.938，207Pb/204Pb=15.493，208Pb/204Pb=36.725(見表2)。Hf同位素采用多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(MC-ICP-MS)完成測(cè)試，該測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，標(biāo)樣為BHVO-2，其測(cè)定值為176Hf/177Hf=0.282877±10(2σ)(見表2)。

表2 站位U1380和U1413各層位Sr-Nd-Pb-Hf同位素比值

3 分析結(jié)果

3.1 主、微量元素

站位U1380和U1413沉積物主量元素中含量最高的為SiO2，其平均含量為53.47%；其次從高到低依次為Al2O3、Fe2O3T、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5以及MnO；同時(shí)，兩站位的燒失量均較高，平均為9.31%，數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 站位U1380和U1413各層位主量(wt%)、微量(×10-6)元素分析結(jié)果

根據(jù)站位U1380和U1413沉積物中各層位原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化后的微量元素蛛網(wǎng)圖(圖2)可以看出，兩站位中各層位微量元素變化范圍相對(duì)較小，均呈現(xiàn)出Rb、Ba、U、K元素的富集，以及Nb、Ta、Th的虧損。相比于站位U1380，站位U1413更富集不相容元素，更虧損相容元素。

圖2 站位U1380和U1413各層位原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)

根據(jù)站位U1380和U1413沉積物中各層位球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的稀土元素配分圖(圖3)可以看出，兩站位均呈現(xiàn)出輕微的輕稀土富集，其配分模式較為平坦。相比于站位U1380，站位U1413相對(duì)富集輕稀土，虧損重稀土，但是虧損和富集程度相對(duì)較低。

圖3 站位U1380和U1413各層位球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989)

3.2 Sr-Nd-Pb-Hf同位素

各層位的同位素?cái)?shù)據(jù)見表2。沉積物樣品中，87Sr/86Sr(0.704679～0.707899)，206Pb/204Pb(18.858～19.255)，207Pb/204Pb(15.597～15.930)，208Pb/204Pb(38.588～39.408)的變化范圍較大。但143Nd/144Nd(0.512883～0.512973)與176Hf/177Hf(0.283120～0.283170)的變化范圍較小。沉積物Sr-Nd-Pb-Hf同位素相關(guān)性圖解(圖4)顯示：沉積物組分與CLIP基底的Nd(143Nd/144Nd：0.512823～0.513104)、Pb(206Pb/204Pb：18.714～19.903；207Pb/204Pb：15.551～15.623；208Pb/204Pb：38.526～39.673)、Hf(176Hf/177Hf：0.283101～0.283153)同位素組分(Geldmacheretal., 2003; Hauffetal., 2000)基本一致。

圖4 站位U1380和U1413各層位同位素圖解

4 討論

4.1 中美洲俯沖帶南部上覆板塊基底組分

研究剝蝕型匯聚板塊邊緣物質(zhì)再循環(huán)的首要條件之一是確定上覆板塊基底組分。中美洲俯沖帶上覆板塊為加勒比板塊，該板塊位于南美洲和北美洲之間，大部分被加勒比大火成巖省覆蓋，其起源目前仍存在一定爭(zhēng)議(Hoernleetal., 2002; James, 2005; Dürkef?ldenetal., 2019)。最初的“原位模型”研究認(rèn)為加勒比大火成巖省(CLIP)在南北美洲之間形成(Meschede and Frisch, 1998; James, 2005)。然而隨著在小安的列斯島弧(加勒比板塊西側(cè))中發(fā)現(xiàn)了侏羅紀(jì)時(shí)期太平洋種屬的放射蟲，并且其年齡比南北美洲板塊分離的時(shí)間更早，因此越來越多的學(xué)者支持加勒比板塊起源于太平洋(Hoernleetal., 2002; Dürkef?ldenetal., 2019)。該模型認(rèn)為，加勒比大火成巖省是加拉帕戈斯地幔柱的頭部在法拉隆板塊上形成，然后與加勒比巨型弧碰撞，由于其具有浮力阻塞俯沖帶，使俯沖極性發(fā)生由東向西的反轉(zhuǎn)，隨后插入南北美洲之間(Hoernleetal., 2002; Dürkef?ldenetal., 2019)。

目前認(rèn)為加勒比板塊沿太平洋側(cè)(中美洲俯沖帶)巖漿雜巖體的起源較為復(fù)雜，可能由增生的太平洋海山組分、殘余的古俯沖帶物質(zhì)、上升的加勒比大火成巖省基底組分以及增生的古加拉帕戈斯熱點(diǎn)物質(zhì)組成(Hauffetal., 2000; Hoernleetal., 2002)。因此，以上組分都可能作為上覆板塊被俯沖剝蝕的物質(zhì)。例如，Goss and Kay(2006)研究中美洲俯沖帶南部物質(zhì)再循環(huán)時(shí)，選擇哥斯達(dá)黎加弧前布里卡(Burica)、戈?duì)柗仆?Golfito)、奧薩(Osa)和克波斯(Quepos)處的蛇綠巖代表俯沖剝蝕物質(zhì)。前人研究指出戈?duì)柗仆泻筒祭锟榧永毡然鸪蓭r省基底上升暴露的部分，而奧薩和克波斯則是由加拉帕戈斯熱點(diǎn)形成的無震脊和海山(Hauffetal., 2000)。Goss and Kay(2006)的研究清晰表明中美洲哥斯達(dá)黎加處晚中新世以來埃達(dá)克質(zhì)巖的形成受到俯沖剝蝕物質(zhì)的影響。然而，隨后的研究表明戈?duì)柗仆锌赡懿⒎羌永毡却蠡鸪蓭r省基底組分，而是75～66Ma的島弧組分(Buchsetal., 2010)。因此，Goss and Kay(2006)選擇的端元是否能夠真實(shí)代表弧前基底組分，前人并沒有給出充分的證據(jù)。

本研究將弧前鉆孔沉積物中的粗碎屑層位組分與弧前各種構(gòu)造單元組分對(duì)比，以期獲得真實(shí)的弧前基底組分。根據(jù)鉆孔位置，研究推測(cè)鉆孔中物質(zhì)來源可能為中美洲火山弧組分、中美洲俯沖帶南部弧前基底組分(Goss and Kay(2006)研究中選擇的俯沖剝蝕端元)，古加拉帕戈斯熱點(diǎn)組分以及加勒比大火成巖省基底組分。本文主要探討各俯沖端元對(duì)中美洲俯沖帶南部大陸弧巖漿作用的影響，所有測(cè)試結(jié)果為全巖樣品數(shù)據(jù)，然而在沉積過程中，陸源物質(zhì)和海洋自生組分共同沉積，因此，我們重點(diǎn)關(guān)注不受沉積過程影響的堿金屬元素(Rb、K)以及高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb、Ta、Ti、Zr和Hf)(Plank and Langmuir, 1998; Plank, 2014)。從元素蛛網(wǎng)圖(圖2)中可以看出，兩個(gè)站位的元素含量較為均一，表明其物質(zhì)源區(qū)是相同的；沉積物粗碎屑層位中堿金屬元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素落在中美洲俯沖帶南部>6Ma大陸弧火山巖、中美洲俯沖帶南部<6Ma大陸弧火山巖以及加勒比大火成巖省基底組分的區(qū)域(圖2a, b, d)；相比于中美洲俯沖帶南部弧前基底和古加拉帕戈斯熱點(diǎn)軌跡，沉積中粗碎屑層位具有較高的堿金屬含量(圖2c, e)。研究表明位于大陸邊緣快速沉積形成的海洋沉積物稀土元素主要受陸源物質(zhì)影響(Mclennanetal., 1990; Plank and Langmuir, 1998)。中美洲俯沖帶南部弧前由于俯沖剝蝕形成了典型的“弧前沉積”，接受了大量的陸源沉積(Vannucchietal., 2013)，因此本研究中沉積物粗碎屑層位組分的稀土配分模式主要受陸源物質(zhì)影響。從圖3中我們排除中美洲俯沖帶南部<6Ma大陸弧火山巖來源的可能性。我們進(jìn)一步從Sr-Nd-Pb-Hf同位素角度進(jìn)行對(duì)比，從圖4中可以看出，沉積物Sr同位素變化范圍較大，這是由于沉積物中碳酸鹽對(duì)Sr同位素的影響(孟憲偉等, 2000)，因此在本文中Sr同位素并不用于源區(qū)判斷；從圖4a中，我們發(fā)現(xiàn)，中美洲俯沖帶南部>6Ma大陸弧火山巖的Pb同位素明顯低于沉積物粗碎屑層位的Pb同位素特征，結(jié)合Nd-Hf同位素特征(在Nd-Hf同位素圖解中，沉積物未落在任何區(qū)域，這可能是由于前人缺乏對(duì)低Nd含量樣品開展Hf同位素測(cè)試造成的)，我們認(rèn)為沉積物中的粗碎屑可能來自出露在中美洲俯沖帶南部的加勒比大火成巖省基底組分。綜上，盡管上覆板塊的鉆孔未達(dá)到基底，然而上覆板塊中沉積物中粗碎屑層位可代表上覆板塊基底組分。

4.2 中美洲俯沖帶南部物質(zhì)循環(huán)模型

4.2.1 中美洲俯沖帶南部俯沖再循環(huán)組分的可能端元

俯沖剝蝕機(jī)制中，俯沖再循環(huán)物質(zhì)一般包括俯沖洋殼，下伏巖石圈地幔、俯沖沉積物以及俯沖剝蝕物質(zhì)(Scholl and von Huene, 2009; Straubetal., 2020)，這些再循環(huán)物質(zhì)可能影響著俯沖帶島弧巖漿成因。因此，俯沖帶島弧火山巖成因的研究中，首先應(yīng)明確可能的俯沖輸入端元組分。前人研究表明，中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖巖性在晚中新世時(shí)發(fā)生顯著變化，巖性由鈣堿性火山巖轉(zhuǎn)變堿性玄武巖和埃達(dá)克質(zhì)巖，其組分具有類似加拉帕戈斯熱點(diǎn)的同位素和微量元素的特征，目前存在利用不同俯沖輸入端元來解釋該區(qū)域大陸弧火山巖巖性的變化(Abratis and W?rner, 2001; Goss and Kay, 2006; Gazeletal., 2009, 2011)。Abratis and W?rner(2001)認(rèn)為厚的有浮力的無震脊(科科斯脊)俯沖在中美洲俯沖帶南部形成構(gòu)造板片窗，同時(shí)俯沖科科斯脊的前緣發(fā)生部分熔融對(duì)地幔楔產(chǎn)生影響。隨后，Gazeletal.(2011)進(jìn)一步提出板片拆沉模型，該模型認(rèn)為科科斯脊俯沖造成先前俯沖的板片拆沉，致使受加拉帕戈斯熱點(diǎn)影響的軟流圈物質(zhì)進(jìn)入地幔楔，因此科科斯脊及西北側(cè)海山群對(duì)中美洲俯沖帶南部晚中新世大陸弧火山巖的形成起重要作用。以上模型均將中美洲俯沖帶南部堿性火山巖和埃達(dá)克質(zhì)巖的形成與科科斯脊俯沖聯(lián)系起來，但是板塊重建和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究指出，科科斯俯沖時(shí)間不可能早于3Ma(MacMillanetal., 2004; Morelletal., 2012)。近期，對(duì)334和344航次上覆板塊鉆孔(站位U1380和U1379)的沉積層序和古地磁研究將該時(shí)間進(jìn)一步確定在1.8Ma(Lietal., 2018)。因此，Morelletal.(2012)和Morell(2015)認(rèn)為中美洲俯沖帶南部晚中新世火山巖巖性變化與俯沖樣式的變化有關(guān)，而科科斯脊與海山俯沖不對(duì)該時(shí)期火山巖的變化產(chǎn)生影響。Goss and Kay(2006)從地球化學(xué)角度證明中美洲俯沖帶南部埃達(dá)克質(zhì)巖的形成與俯沖剝蝕有關(guān)。同時(shí)，Vannucchietal.(2013, 2016b)從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地球物理的角度證明哥斯達(dá)黎加處確實(shí)存在大量的俯沖剝蝕。然而，目前造成上述爭(zhēng)論的主要原因是人們目前仍未直接獲得上覆板塊基底組分。本文對(duì)上覆板塊沉積物鉆孔中粗碎屑層位的研究表明，上覆板塊基底組分可能為加勒比大火成巖省基底組分。因此，目前中美洲俯沖帶南部俯沖輸入端元包含俯沖科科斯脊，俯沖海山，俯沖剝蝕地殼物質(zhì)(加勒比大火成巖省基底)以及俯沖沉積物。

4.2.2 俯沖帶物質(zhì)再循環(huán)及其對(duì)中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖成因的啟示

在俯沖過程中，俯沖輸入物質(zhì)隨著俯沖深度的增加會(huì)釋放流體、熔體或者超臨界流體，這些物質(zhì)都會(huì)加入島弧巖漿的源區(qū)，對(duì)島弧火山巖的化學(xué)組分造成影響(Spandler and Pirard, 2013; Plank, 2014; 趙仁杰等, 2020; 張澤明等, 2020)。放射性同位素通常在巖漿演化過程中不發(fā)生分餾，因此被廣泛應(yīng)用于示蹤地殼和地幔之間的物質(zhì)循環(huán)(Hauffetal., 2003; Carpentieretal., 2008; Chauveletal., 2009; Yanetal., 2012)。我們根據(jù)所有可能的俯沖輸入端元重新探討中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖晚中新世的巖性變化的原因，根據(jù)俯沖輸入與大陸弧輸出的同位素圖解(圖5)可以看出，中美洲俯沖帶南部晚中新世以來的大陸弧火山巖受到了加勒比大火成巖省基底端元和海山端元的影響。根據(jù)元素在俯沖過程中的行為，由于輕稀土元素(Nd)一般只在熔體中遷移(Chauveletal., 2009)，我們推測(cè)俯沖剝蝕物質(zhì)以熔體的形式影響該區(qū)域大陸弧巖漿作用。不同于Gazeletal.(2011)的研究，我們選擇加勒比火成巖省基底代替俯沖科科斯脊的端元：首先科科斯脊俯沖時(shí)間存在爭(zhēng)議，其俯沖時(shí)間可能為更晚的更新世；其次結(jié)合Yan and Shi(2016)對(duì)344航次鉆孔獲得的科科斯脊基底巖石同位素分析，以及前人發(fā)表的同位素?cái)?shù)據(jù)(Hoernleetal., 2000; Werneretal., 2003)，我們發(fā)現(xiàn)新獲得的樣品Nd同位素范圍更大，且具有更高的Sr同位素及低的208Pb/204Pb和206Pb/204Pb比值，使得科科斯脊和海山的同位素特征并不能解釋中美洲俯沖帶南部晚中新世以來火山巖的同位素組成。

圖5 中美洲俯沖帶南部俯沖輸入與大陸弧輸出物質(zhì)循環(huán)同位素圖解

同時(shí)，由于特征元素在俯沖系統(tǒng)中具有不同的行為，也常被用于示蹤俯沖物質(zhì)循環(huán)(Pearceetal., 2005; Yanetal., 2019)。在俯沖過程中，Ba等大離子親石元素在俯沖流體中遷移，而Th、Nb以及輕稀土則只在熔體中移動(dòng)(Johnson and Plank, 1999)。因此，特征元素比值可以用來辨別俯沖組分(Pearceetal., 2005; Pearce and Stern, 2006; Zhangetal., 2019; Yanetal., 2019)。為了消除結(jié)晶分異的影響，利用Ba/Th示蹤富水流體，利用Th/Nd來辨別含水熔體，利用Ba/Nb來計(jì)算俯沖組分釋放的總流體(Pearceetal., 2005; Yanetal., 2019)。根據(jù)特征元素和同位素比值圖解中可以看出，俯沖沉積物對(duì)中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖產(chǎn)生影響(圖6a, b)；同時(shí)，在晚中新世中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖巖性發(fā)生變化時(shí)，其Th/Nd比值顯著升高，該變化可能是由于俯沖熔體組分的變化引起的(Zhangetal., 2019; Yanetal., 2019)。在所有俯沖輸入端元中，俯沖沉積物具有最高的Th/Nd比值，因此我們認(rèn)為俯沖沉積物以熔體的形式對(duì)該地區(qū)火山巖產(chǎn)生影響，該結(jié)論與前人根據(jù)熱力學(xué)模型計(jì)算的哥斯達(dá)黎加弧下俯沖沉積物發(fā)生部分熔融的認(rèn)識(shí)相吻合(Peacocketal., 2005)。盡管前人通過Be和Tl同位素的研究指出，中美洲俯沖帶南部俯沖沉積物對(duì)大陸弧火山巖的影響有限(Teraetal., 1986; Nielsenetal., 2017)，但是從特征元素比值可以看出俯沖沉積物的確參與大陸弧物質(zhì)再循環(huán)過程。相對(duì)其他端元，俯沖沉積物中富集Ba、Th等特征元素，因此其加入很小的量足以影響該地區(qū)火山巖微量元素比值，但是其加入量不足以改變其同位素特征(Gazeletal., 2009; Nielsenetal., 2017; Zhaoetal.in print)。同時(shí)，我們并不能排除俯沖科科斯脊對(duì)近期中美洲俯沖帶南部火山巖的影響，但是綜合科科斯脊俯沖時(shí)間，我們推測(cè)晚中新世以來火山巖中類似加拉帕戈斯熱點(diǎn)的物質(zhì)主要受俯沖剝蝕物質(zhì)的影響(Goss and Kay, 2006)。在晚中新世(～9Ma)，巴拿馬三聯(lián)點(diǎn)(Panama Triple Junction)位于尼克亞半島的離岸處，由于俯沖傾角和匯聚速率變化，巴拿馬三聯(lián)點(diǎn)向東南遷移，由于俯沖角度的改變，俯沖板塊釋放的俯沖組分減少，造成中美洲俯沖帶南部鈣堿性火山巖的停止噴發(fā)(MacMillanetal., 2004; Morelletal., 2012; Morell, 2015)。同時(shí)，在其向東南遷移過程中造成明顯的俯沖剝蝕(MacMillanetal., 2004; Saketal., 2009)，該過程將大量的弧前物質(zhì)帶入地幔楔，其與俯沖海山及俯沖沉積物共同影響中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖的巖漿過程。盡管本文從地球化學(xué)角度初步證明了俯沖剝蝕對(duì)中美洲俯沖帶南部大陸弧巖漿作用的影響，但是并未定量解釋不同端元對(duì)中美洲俯沖帶南部不同巖性火山巖的影響，未來的工作中，我們將結(jié)合非傳統(tǒng)同位素(Li，Ba等)共同探討中美洲俯沖帶南部俯沖循環(huán)過程。

圖6 中美洲俯沖帶南部俯沖輸入與大陸弧輸出物質(zhì)循環(huán)同位素及特征元素比值圖解

5 結(jié)論

本研究對(duì)位于匯聚板塊邊緣上覆板塊弧前鉆孔中沉積物的粗碎屑層位進(jìn)行了詳細(xì)的全巖主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析研究，獲得了如下三點(diǎn)新認(rèn)識(shí)：

(1)研究中的粗碎屑層位組分可代表上覆板塊基底組分，是剝蝕型匯聚板塊邊緣中物質(zhì)俯沖再循環(huán)的一個(gè)重要端元，因此，弧前鉆孔中沉積物的粗碎屑層位組分可為研究淺部和深部地幔地球化學(xué)變化提供重要線索。

(2)結(jié)合中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖化學(xué)組分，我們識(shí)別出了俯沖剝蝕物質(zhì)對(duì)該大陸弧火山巖成因的貢獻(xiàn)，為俯沖剝蝕機(jī)制的存在提供了地球化學(xué)制約。

(3)自晚中新世以來，巴拿馬三聯(lián)點(diǎn)向東南的遷移引起中美洲俯沖帶南部弧前大量的俯沖剝蝕，可能導(dǎo)致俯沖剝蝕物質(zhì)、海山及俯沖沉積物共同進(jìn)入了大陸弧地幔源區(qū)。

致謝感謝“決心號(hào)”科學(xué)鉆探船上的全體船員、IODP-USIO技術(shù)人員以及中國(guó)IODP辦公室。在研究期間，與哥倫比亞大學(xué)Susanne Staub教授進(jìn)行了有益的討論。同時(shí)，感謝兩位匿名審稿人及俞良軍老師對(duì)本文提出的寶貴修改意見。