西太平洋雅浦海沟玄武岩成因及其地质意义：来自地球化学和Sr-Nd-Pb 同位素的制约*

田 原 陈 灵 唐立梅 杨文光 高 鹏 刘 倩

（1.成都理工大学沉积地质研究院 成都 610059；2.自然资源部海底科学重点实验室，自然资源部第二海洋研究所 杭州 310012）

初始岛弧形成于俯冲早期阶段，被认为是继弧前玄武岩（FAB）、玻安岩喷发后初次岛弧岩浆作用的产物（Reagan et al.，2010；Ishizuka et al.，2011）。伴随着弧前玄武岩的产生与玻安质岩浆活动的结束，初始岛弧岩浆作用正式开始。不同于弧前岩浆作用，初始岛弧岩浆作用的开始标志着地幔从以减压为主导的熔融转变为流体添加的含水熔融，熔融区域也从弧前转移到弧下（Reagan et al.，2010，2017）。初始岛弧作为玻安质岩浆作用结束至成熟岛弧出现的过渡阶段，受俯冲板片脱水组分影响较小，成分与弧前玄武岩类似，同时具有洋中脊玄武岩（MORB）亲和性。岛弧下方无法形成较为成熟（厚）的稳定地壳，常常因后期构造作用被撕裂、埋藏。随着俯冲板块俯冲深度的增加，岛弧岩浆逐渐由拉斑质演化为钙碱质，地壳不断加厚，发育成真正的成熟岛弧。早期研究表明，马里亚纳岛弧南部存在部分未发育成熟的初始岛弧，与北部较为成熟的岛弧相比，其岩石圈地壳尚不稳定，受俯冲组分影响较小，且空间向北受俯冲组分影响逐步递增（Ribeiro et al.，2020）。由于缺少现代初始岛弧的相关实例，导致我们对初始岛弧演变成成熟岛弧的过程知之甚少。同时岛弧演化早期形成的岩浆特征与成熟岛弧体系的岩浆特征不同，因此对初始岛弧向成熟岛弧演化过程的探究将为俯冲带早期演化以及岛弧的形成与演化提供新的线索（Rudnick，1995；Lee et al.，2007；Ribeiro et al.，2020）。

雅浦海沟位于西太平洋，曾是伊豆—小笠原—马里亚纳（IBM）海沟的一部分，后演化成为单独的俯冲体系。与IBM 系统相比，雅浦海沟内岩浆作用与构造演化历史相对复杂；其弧前和岛弧岩浆作用过程除受地幔源和俯冲组分影响外，还受卡罗琳洋脊碰撞这一地质过程限制。早期研究表明，当卡罗琳洋脊与雅浦海沟发生碰撞时（30～25 Ma），俯冲活动因洋脊的阻碍而停止，这与雅浦岛弧火山活动停止时间（始新世—中新世）相吻合（Hawkins and Batiza，1977；McCabe and Uyeda，1983）。但随后研究发现，采集于雅浦海沟陆向坡的岛弧拉斑玄武岩（11～7 Ma）是由卡罗琳洋脊俯冲作用导致弧前上地幔浅层熔融形成的（Beccaluva et al.，1980，1986；Crawford et al.，1986）。这说明雅浦海沟内岛弧岩浆作用并没有因洋脊的碰撞而停止，反而因洋脊的碰撞诱发新一期的初始岛弧岩浆作用。

本文对采集于雅浦海沟南北两个区域的玄武岩样品进行了详细的主、微量元素，Sr-Nd-Pb 同位素分析，提取了其地球化学特征所记录的岩浆演化信息，以探明在卡罗琳板块俯冲到菲律宾海板块之下这一复杂地质过程中，雅浦海沟的岛弧演化过程，对了解俯冲带早期阶段及岛弧的形成和演化提供新的线索。

1 雅浦海沟地质概况

雅浦海沟位于菲律宾海板块南部，与伊豆—小笠原海沟、马里亚纳海沟和帕劳海沟共同构成菲律宾海板块的东部边界（Sato et al.，1997；Fujiwara et al.，2000；Ohara et al.，2002），北部（11°07′N）与马里亚纳海沟近乎垂直相交，北雅浦断崖（NYE）在两海沟交汇处向北延伸，断崖地形高差达～1 500 m（图1）。Fujiwara et al.（2000）根据海沟水深及地形特点以8°26′N 为界将雅浦海沟分南北两段，北段大致呈北偏东30°方向延伸，地势较低，向南逐渐转变为东—西向。海沟北部与帕里西维拉海盆的扩张中心相接，西南接帕劳海沟，东侧为卡罗琳热点作用下形成的卡罗琳洋脊（高原）。雅浦海沟北部和南部分别为太平洋板块和卡罗琳板块向菲律宾海板块俯冲的汇聚板块边界，板块汇聚的相对速度分别为20 mm/y 和5 mm/y（Seno et al.，1993）。雅浦俯冲带作为西太平洋众多俯冲带之一，具有明显区别于其他俯冲系统的特征：海沟和岛弧距离短（约50 km），远远小于西太平洋其他沟—弧系统的距离（马里亚纳海沟～200 km），海沟轴部缺少沉积物；地震活动少，没有深源地震发生；缺乏活动的岛弧火山作用，岛弧基底主要由变质岩组成（Shiraki，1971；Hawkins and Batiza，1977；Zhang and Zhang，2020），火山岩分布较少，缺少记录岩浆活动的新鲜火山岩。前人通过对采集于马里亚纳海沟与雅浦海沟交界处两组火山岩样品研究表明，雅浦岛弧岩浆作用并未因卡罗琳洋脊的碰撞而 停 止，至 少 在11～7 Ma 短 暂 恢 复（Beccaluva et al.，1980，1986；Crawford et al.，1986）。Ohara et al.（2002）报道了雅浦海沟及北雅浦断崖的岩石学和地球化学研究，结果表明，火山岩和橄榄岩都显示出岛弧亲和性，前者代表形成～25 Ma 的岛弧拉斑玄武岩，后者为高度亏损的橄榄岩，代表了与俯冲相关的弧前地幔，现今雅浦岛弧由上下两个单元组成，上部代表帕里西维拉海盆地壳，下部代表岛弧岩浆作用后的残余地幔，而NYE 火山岩指示北雅浦岛弧似乎是在帕里西维拉海盆的扩张尖端形成的一个早期的岛弧。Yang et al.（2018）讨论了雅浦俯冲带的构造特征并再次证明岩石具有俯冲相关的地球化学特征。Chen et al.（2019a，2019b）对雅浦海沟橄榄岩进行了详细的地球化学分析，指出雅浦海沟橄榄岩地幔高度亏损，同时发现上地幔存在Re 亏损年龄约1.16 Ga 的橄榄岩地幔碎片，代表了非常古老的熔融事件的残留地幔。Zhang and Zhang（2020）通过对雅浦岛弧变质岩研究发现，雅浦海沟内存在代表约50 Ma 前IBM 系统初始俯冲阶段的弧前玄武岩、代表雅浦岛弧岩浆作用的拉斑玄武岩以及代表卡罗琳板块的洋岛玄武岩，这些岩石因卡罗琳洋脊的碰撞（～21 Ma）一同发生变质作用，堆积在海沟内部。最新研究（Chen et al.，2021）发现，雅浦海沟内部分玄武岩具有弧后盆地玄武岩（BABB）亲和性，代表帕里西维拉海盆的火山岩地壳。上述火山岩因卡罗琳洋脊的碰撞、帕里西维拉海盆洋壳逆冲至原雅浦岛弧之上而堆覆在海沟内。由此可见，卡罗琳洋脊的碰撞在雅浦海沟和岛弧的演化中发挥了关键作用，具有特殊的意义（田原等，2021）。

图1 研究区构造特征Fig.1 Structural features of the study area

2 样品来源及分析方法

本研究样品来自于中国载人潜水器蛟龙号在大洋37 航次、大洋38 航次采集到的火山岩样品。DY37-Dive113潜次位于雅浦海沟北侧陆向坡，水深6 551～6 572 m，38Ⅲ-JL148潜次位于海沟南侧陆向坡，水深4 160～4 171 m（图1）。本文对上述潜次4 个站位共6 个玄武岩样品（Dive113-S02、Dive113-S06、JL148-S05-1、JL148-S08-2）进行了详细的主微量元素及Sr-Nd-Pb 同位素分析（表1）。

表1 雅浦海沟玄武岩站位信息及主微量元素含量Table 1 Whole-rock major element and trace element concentrations in lavas from the Yap Trench

上述玄武岩样品约5～10 cm，具有块状构造，样品为黑色和黄褐色，部分样品表面覆盖一层黑色的锰壳层，样品基质为间隐结构，斑晶主要是基性斜长石和普通辉石及少量破碎的橄榄石，基质和斑晶均已蚀变。

全岩主微量元素、Sr-Nd 同位素分析在南京宏创地质勘查技术服务有限公司完成，分析前均将表面蚀变部分切除，只取中心新鲜核部进行分析。主量分析采用四硼酸锂玻璃熔片X 射线荧光光谱仪（XRF）测试，具体流程为：称取约1 g 样品置于马弗炉中在900 ℃高温灼烧1.5 h，完成后取出放入干燥器。待冷却后称取质量，并计算出烧失量，再称取约0.6 g 前一步的残渣，并按称取约8 倍于残渣质量的四硼酸锂助熔剂，混合均匀后倒入铂金坩埚并加入适量脱模剂溴化锂和氧化剂硝酸锂，置于1 200 ℃高温熔融。待熔融完成后取出倒入铂金磨具中冷却成玻璃片，上机测试，分析精度优于5%。

图2 雅浦海沟玄武岩手标本照片及光学显微镜图像a、b.雅浦海沟玄武岩手标本照片；c.正交偏光；d.单偏光px.辉石； pl.斜长石Fig.2 Hand specimens and optical microscope images of basalts from the Yap Trench

续表1

全岩微量元素分析采用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）完成，分析仪器为Perkin-Elmer ELAN 300D。样品前处理流程为：准确称取200 目样品25 mg 加入特氟龙罐中，加入1 mL HF 和0.5 mL HNO3，加盖并放入不锈钢外套中密封置于烘箱中于190 ℃下分解48 h。取出待冷却后于电热板上蒸干，加入1 mL HNO3蒸干并重复一次。加入2 mL 1∶1 HNO3蒸馏水重新置于烘箱中120 ℃溶解残渣8 h。完成后取出冷却，定容至20 mL 待测。采用国家标样GSR-1 和GSR-3 进行分析质量控制，分析精度优于10%。

全岩Sr-Nd 同位素主要分析流程如下：准确称取0.25 g 样品于Teflon 焖罐内，加入0.5 mL HNO3和1.5 mL HF，190 ℃封闭加热消解48 h，160 ℃赶除HF，加入3 mL 1∶1 HNO3，150 ℃密闭复溶6 h，定容至25 g。取适量样品溶液离心，取上清液蒸干，调节酸度，分别使用SR 特效树脂分离纯化Sr，获得含Sr 样品溶液。根据Nd，取适量样品溶液离心，取上清液蒸干，调节酸度，分别使用LN 特效树脂分离纯Nd，获得含Nd 样品溶液。使用Thermo Fisher Scientific 多接收电感耦合等离子体质谱仪Neptune Plus MC-ICP-MS 分别测定87Sr/86Sr 值和143Nd/144Nd 值，根据88Sr/86Sr 值（8.373 209）和143Nd/144Nd值（0.721 8）按照指数规律对测定的87Sr/86Sr 值和143Nd/144Nd 值进行在线质量分馏校正。87Sr/86Sr 值和143Nd/144Nd 值的不确定度为2σ。美国地质调查局USGS 地球化学标准岩石粉末（玄武岩BCR-2、玄武岩BHVO-2、安山岩AGV-2）作为质量监控样品，经过以上化学前处理与质谱测定，Sr-Nd 同位素比值实测值在误差范围内与文献报道值一致。

全岩Pb 同位素测试由武汉上谱分析科技有限责任公司完成。分析采用德国Thermo Fisher Scientific 公司的MC-ICP-MS（Neptune Plus）。仪器配备9 个法拉第杯接收器。204（Pb+Hg）、206Pb、207Pb、208Pb、203Tl、205Tl 和202Hg 同时被7 个接收器接收。其中202Hg 被用于监控并校正204Hg 对204Pb 同位素的同质异位素干扰，204Hg/202Hg 天然比值采用0.230 1。MC-ICP-MS 采用了Jet+X 锥组合和干泵以提高仪器灵敏度。根据样品中的Pb 含量，50 μL/min～100 μL/min 两种微量雾化器被选择使用。Alfa 公司的Pb 单元素溶液被用于优化仪器操作参数。Pb 国际标准溶液NIST 981（200 μg/L）作为质量监控和外部校正标样，208Pb 的信号一般高于6 V。每个标样和样品中加入一定量的Tl 溶液（NBS SRM 997），205Tl 信号控制在4～5 之间。Tl 拖尾对204Pb 的干扰没有被观察到。数据采集由8 个blocks组成，每个block 含10 个cycles，每个cycle 为4.194 s。Pb 同位素的仪器质量分馏采用假内标指数法则校正（Russell et al.，1978）。

3 分析结果

全岩主、微量元素分析测试数据结果如表1 所示。所研究玄武岩样品均为亚碱性玄武岩，在TAS 图解上落在玄武岩和安山质玄武岩区域范围内（图3a），其主量元素特征存在显著差异。在SiO2-K2O 图解上（图3b），虽然4 个站位样品均落在马里亚纳海槽（MT）成分范围内。但南部JL148-S05 与JL148-S08 站位样品的K2O 含量高于北部Dive113-S02 与Dive113-S06 站位，暗示前者具有更高的演化程度（Ribeiro et al.，2020）。

图3 雅浦海沟玄武岩TAS 图解（a）与SiO2-K2O 关系图（b）（Gill，1981；Peccerillo and Taylor，1976）元素含量已重新计算到100%的无水基础上数据来源：弧前玄武岩据Reagan et al.，2010；马里亚纳海槽据Sinton and Fryer，1987；Hawkins et al.，1990；Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016Fig.3 Total alkali-silica（TAS）diagram（a）and SiO2-K2O diagram（b）for basalts from the Yap Trench（Gill，1981；Peccerillo and Taylor，1976）

在岛弧演化过程中，SiO2与MgO 含量受结晶分异与地壳同化混染作用共同影响（Ribeiro et al.，2020），在SiO2-MgO 图解上（图4a），始新世马里亚纳初始岛弧与成熟岛弧SiO2和MgO 含量显示出负相关性，随着岛弧岩浆作用演化趋于成熟，SiO2含量逐渐升高，MgO 含量逐渐下降。所研究玄武岩样品在SiO2-MgO 图解上（图4a）位于始新世马里亚纳初始岛弧范围内，表明所研究样品可能与始新世马里亚纳初始岛弧具有相似的地球化学特征与构造历史。在MgO-Al2O3、MgO-CaO 图解上（图4b、图4c），雅浦海沟的4 个站位样品均落在马里亚纳岛弧（MA）与MT 组成范围内，但Dive113 潜次样品具有更高的MgO 含量和更低的CaO 含量；在MgO-TiO2图解上（图4d），海沟南部JL148-S05、JL148-S08 站位样品落在MA 组成范围内，具有更低的TiO2含量，而海沟北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位样品则落在MT 组成范围内，TiO2含量较高（图4）。弧后盆地玄武岩（BABB）与洋中脊玄武岩（MORB）成分相似，均由亏损地幔绝热减压熔融形成的，受俯冲组分影响较小，因此BABB 和MORB 分布在Ti-V 图解（图5）的同一区域。而岛弧拉斑玄武岩（IAT）与弧前玄武岩（FAB）受俯冲组分影响相对较大，其成分范围向低Ti 高V 方向移动，表现出相对较低的Ti/V 比值（Reagan et al.，2010）。在Ti-V 图解中（图5），雅浦海沟南部JL148-S05 和JL148-S08 站位样品Ti/V 值较低，落在IAT 成分范围之内，而海沟北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位样品则落在MORB 和BABB 成为范围之内。总体来说，海沟南北两侧样品在主量元素组成上差异明显，海沟南部JL148-S05、JL148-S08 站位样品更具有IAT 亲和性，而北部Dive113-S02，Dive113-S06点位的样品更具有BABB 亲和性。

图4 雅浦海沟玄武岩SiO2-MgO 关系图（a.据Ribeiro et al.，2020），MgO-Al2O3关系图（b），MgO-CaO关系图（c），MgO-TiO2关系图（d）元素含量已重新计算到100%的无水基础上数据来源：马里亚纳岛弧（MA）（Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016）；马里亚纳海槽（MT）（Sinton and Fryer，1987；Hawkins et al.，1990；Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016）；FAB（Reagan et al.，2010）；其他见图例.Fig.4 Plots of SiO2-MgO（a）（modified from Ribeiro et al.，2020），MgO-Al2O3（b），MgO-CaO（c）and MgO versus TiO2（d）for the Yap Trench basalts

图5 雅浦海沟玄武岩Ti-V 图解（据Shervais，1982；数据源与图3 相同）Ti/V 值区分了岛弧拉斑玄武岩（IAT）Ti/V＜20；大洋中脊玄武岩（MORB）；弧后盆地玄武岩（BABB）20＜Ti/V＜50；洋岛玄武岩（OIB）50＜Ti/V＜100Fig.5 Ti-V diagram of the studied Yap Trench basalts（after Shervais，1982；data source same as Fig.3）

所研究样品原始地幔标准化稀土元素配分图如图6 所示。样品均显示出“平坦型”稀土配分模式曲线，轻重稀土元素间并未出现明显分馏，与帕里西维拉海盆（DSDP449、DSDP 450）相似。与N-MORB 相比更富集轻稀土元素（LREE），轻稀土含量介于马里亚纳海槽（Ikeda et al.，2016）与弧前玄武岩（Reagan et al.，2010）之间。

图6 雅浦海沟玄武岩原始地幔标准化稀土元素配分图数据来源：PM、N-MORB 成分引自Sun and McDonough，1989；北雅浦断崖（NYE）引自Ohara et al.，2002；帕里西维拉海盆（PVB）引自Hickey-Vargas，1998；马里亚纳岛弧引自Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016；马里亚纳海槽引自Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016；弧前玄武岩引自Reagan et al.，2010Fig.6 Primitive mantle（PM）-normalized REE concentrations of the Yap Trench basalts

所研究样品原始地幔标准化微量元素蛛网图如图7 所示，样品均表现出岛弧玄武岩特征，富集Rb、Ba、Th、U、K 等大离子亲石元素，具有Sr 的正异常与Nb、Ta 负异常等特征。样品虽然具有岛弧玄武岩的微量元素特征，但其整体富集程度较低，介于FAB 与MA 之间，这表明所研究样品并未明显受到明显的后期板块流体影响。其中Dive113-S02、Dive113-S06 站位样品与帕里西维拉海盆（Hickey-Vargas，1991，1998）、雅浦海沟（代表帕里西维拉海盆）（Chen et al.，2021）表现出很强的相似性，其大离子亲石元素富集程度，Nb、Ta 亏损程度较弱。总体来说，所研究样品微量元素特征虽具有岛弧玄武岩亲和性但并不明显，更类似于一种介于FAB 与IAT 之间过渡岩浆作用的产物。Dive113-S02、Dive113-S06 站位样品具有BABB 亲和性，暗示其可能代表帕里西维拉海盆地壳。

所研究样品同位素数据如表2 所示。雅浦海沟同位素研究数据较少，结果表明放射性同位素Sr 含量较高，变化范围为（0.703 991～0.704 794），均高于MA 成分范围（图7），表明所研究样品受海水蚀变影响严重。放射性同位素Nd变化范围为（0.513 028～0.513 109），位于全球MORB 组分的DM 源区。海沟南部JL148-S05-1 样品206Pb/204Pb = 18.629 2、207Pb/204Pb = 15.594 7、208Pb/204Pb = 38.472 4；JL148-S08-1 样 品206Pb/204Pb = 18.550 2、207Pb/204Pb = 15.553 3、208Pb/204Pb = 38.17。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb 图与206Pb/204Pb-208Pb/204Pb图中（图8），所研究样品总体落在MA 的成分范围内，与FAB 和帕里西维拉海盆地壳相比具有更高的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb 含量。

表2 雅浦海沟玄武岩同位素特征Table 2 Whole-rock isotopes concentrations in lavas from the Yap Trench

图7 雅浦海沟玄武岩原始地幔标准化微量元素蛛网图数据来源：PM、N-MORB 成分引自Sun and McDonough，1989；北雅浦断崖（NYE）引自Ohara et al.，2002；帕里西维拉海盆（PVB）引自Hickey-Vargas，1998；马里亚纳岛弧引自Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016；马里亚纳海槽引自Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016；弧前玄武岩引自Reagan et al.，2010Fig.7 Primitive mantle（PM）-normalized trace element spider diagram of the Yap Trench peridotite

图8 雅浦海沟玄武岩Sr-Nd-Pb 同位素特征（据Rollison，2000）数据来源：北雅浦断崖据Ohara et al.，2002；帕里西维拉海盆据Hickey-Vargas（1991）；马里亚纳岛弧据Stern et al.，2006；Tamura et al.，2014；Ikeda et al.，2016；马里亚纳海槽据Stern et al.，1990；Ikeda et al.，2016；弧前玄武岩据Reagan et al.，2010.Fig.8 Sr-Nd-Pb isotopic characteristics of Yap Trench basalts（after Rollison，2000）

4 讨 论

4.1 岩石成因

卡罗琳洋脊与雅浦海沟的碰撞是影响海沟内岩浆作用的关键因素，洋脊碰撞导致雅浦沟—弧距离极短，弧前俯冲侵蚀严重，且西部帕里西维拉海盆洋壳因碰撞逆冲推覆至雅浦弧前地幔之上（Hawkins and Batiza，1977；Ohara et al.，2002；Zhang and Zhang，2020；Chen et al.，2021）。这一复杂地质过程导致雅浦海沟内部岩石来源复杂，具体包括：1）代表始新世早期（～50 Ma）俯冲初始阶段弧前地幔减压融熔形成的弧前玄武岩（Reagan et al.，2010；Zhang and Zhang，2020）；2）俯冲相关受板块流体/熔体影响的岛弧玄武岩，如北雅浦断崖（NYE）火山岩（Ohara et al.，2002）；雅浦海沟弧前橄榄岩（Chen et al.，2019a，2019b）；采集于雅浦海沟与马里亚纳海沟交汇处的火山岩（Beccaluva et al.，1980，1986；Crawford et al.，1986）；3）代表帕里西维拉海盆地壳的弧后盆地玄武岩（Fujiwara et al.，2000；Chen et al.，2021）；4）代表现雅浦岛弧的变质岩（Hawkins and Batiza，1977）；5）因碰撞而从俯冲板块上剥蚀到海沟内部，代表索罗尔海槽裂解的MORB 亲和性玄武岩与代表卡罗琳热点的洋岛玄武岩（OIB）（Zhang et al.，2020）。因此，所研究样品可能来自弧前岩石圈、岛弧、弧后盆地和俯冲板块。与FAB、BABB 相比，俯冲相关火山岩最显著的特征就是富集板块衍生成分，如相较于在俯冲过程中较为稳定的HFSEs（高场强元素）和HREE（重稀土元素），富集LILEs（大离子亲石元素）。所研究玄武岩样品LILEs 富集程度较低，Nb、Ta 等HFSEs 也并未出现系统性的亏损，因此受俯冲组分（板块衍生流体/熔体）影响程度需进一步的评估。通常用俯冲活动元素（LILEs）与俯冲不活动元素（HFSEs、HREE）的比值（LILE/HFSE、LILE/HREE）识别俯冲流体端元和指示俯冲物质的加入程度（Pearce et al.，2005）。在俯冲过程中，Rb、Ba、Sr、U、Pb 等LILEs 随板块流体发生迁移，而Th、LREEs（轻稀土元素）则保留在洋壳内，只会随板块熔体或沉积物熔体迁移至地幔楔。考虑到K、Rb、U、Cs更容易受后期海水蚀变影响，选择Ba 作为最合适的LILE 来评估板块衍生流体对俯冲相关熔岩的影响（Pearce et al.，2005），Th 主要由俯冲沉积物或板块部分融熔熔体输送到地幔楔中（Elliott et al.，1997），岛弧火山岩中Th 大部分来源于俯冲沉积物和俯冲板片的部分融熔，因此，Th/Yb 和Ba/Yb 被广泛用于评价沉积物熔体和俯冲流体对俯冲相关熔岩的影响，而Nb、Yb 在流体中相对稳定，Nb/Yb 可以指示地幔源区的富集—亏损程度。在Nb/Yb-Ba/Yb 和Nb/Yb-Th/Yb 图中（图9），所研究样品均落在MORB-OIB 阵列较为亏损的端元（Dive113-S02、Dive113-S06 亏损程度稍低，落在MT 组分区域），海沟南部JL148-S05、JL148-S08 站位样品地幔源区与FAB 相似，比N-MORB 源地幔更加亏损，这表明样品并非来自较为富集的弧后区域地幔，排除了样品来自弧后盆地的可能性，而海沟北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位样品Nb/Yb 值较高，落在MT 成分范围内较为亏损的区域，结合主量元素特征，雅浦海沟北部样品可能代表帕里西维拉海盆地壳。

图9 雅浦海沟Nb/Yb-Ba/Yb（a）和Nb/Yb-Th/Yb（b）关系图（数据源与图6 相同）Fig.9 Plots of Nb/Yb-Ba/Yb（a）and Nb/Yb-Th/Yb（b）（data sources are the same as in Fig.6）

FAB 是俯冲初始阶段弧前地幔减压融熔的产物，几乎没有或很少受到俯冲组分的影响，而MA 是弧下地幔楔受俯冲流体交代部分融熔的产物，其受俯冲组分影响在岛弧发育的过程中逐步递增（Ribeiro et al.，2020）。雅浦海沟南部JL148-S05、JL148-S08 站位样品无论是俯冲流体输入组分（Ba/Yb）还是俯冲熔体输入组分（Th/Yb）均介于FAB 与MA 之间，这表明样品在岩浆演化阶段受到俯冲流体的影响，但不显著。这与我们在原始地幔标准化稀土元素配分图和原始地幔标准化微量元素蛛网图上观察到的结果一致（图5，图6）。在206Pb/204Pb-207Pb/204Pb 图（图8d）与206Pb/204Pb-208Pb/204Pb 图（图8c）中，JL148-S05、JL148-S08 站位样品与FAB 和帕里西维拉海盆成分范围出现明显偏差，具有更高的206Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb 含量，与MA 表现出较强的亲和性，这表明JL148-S05、JL148-S08 站位样品可能并非来自弧前和弧后，而是代表初始岛弧岩浆作用的产物。初始岛弧岩浆作为一种岩浆演化的过渡阶段，其受俯冲带组分影响微弱。在Nb/Yb-Ba/Yb 和Nb/Yb-Th/Yb 图中，所研究样品Ba/Yb 值偏低，稍高于FAB，符合初始岛弧岩浆作用产物的特征，但其Th/Yb 值偏高，与MA 接近，这表明所研究样品在岩浆演化阶段可能受俯冲熔体的影响，熔体的添加使样品中Th 的含量明显增高，这一现象得到了样品中高放射性Pb 同位素含量的支持。雅浦岛弧坡面存在两个主要的坡折带并指示岩性边界，其上部为洋下地壳，下部为菲律宾海板块上地幔。同时在岛弧坡面上观察到布格重力异常的负峰，这表明岛弧坡面下的地壳最厚，雅浦岛弧北部布格重力异常为正，这些重力信号表明雅浦岛弧在动力作用下上升，雅浦岛弧上部可能代表推覆逆冲而上的帕里西维拉海盆地壳（Fujiwara et al.，2000）。综上所述，雅浦海沟南北两部样品具有不同的岩石成因，海沟北部样品具有弧后盆地玄武岩亲和性，可能代表逆冲推覆至雅浦岛弧上的帕里西维拉海盆地壳，而南部样品具有岛弧亲和性，可能代表碰撞后新一期次的初始岛弧岩浆。

4.2 构造意义

雅浦海沟具有复杂的构造演化历史，Chen et al.（2019b）通过对雅浦海沟橄榄岩中Re-Os 同位素的研究表明，雅浦弧前存在亏损年龄约1.16 Ga 的残余地幔，代表了古地幔熔融事件。在卡罗琳板块出现之前，雅浦海沟作为古IBM 俯冲系统的一部分，与IBM 系统具有相同的早期构造演化历史：太平洋板块在～52 Ma 开始俯冲至菲律宾海板块之下（Reagan et al.，2010；Ishizuka et al.，2011），在随后～2 Ma 的俯冲初始阶段，太平洋板块的下沉促进了弧前岩石圈伸展，从而触发弧前地幔减压熔融，形成具有MORB 亲和性的FAB。随后因俯冲的持续进行，亏损的弧前地幔受到来自板块脱水流体的交代，进一步融熔形成玻安岩（Parce et al.，1992；Reagan et al.，2017）。

随着古IBM 海沟因太平洋板块的俯冲作用持续向西后退，最终在～33 Ma 古IBM 海沟裂解，在此之后雅浦海沟逐渐演变成独立的俯冲体系。卡罗琳板块形成于35～30 Ma（Bracey，1975；Hegarty and Weissel，1988；Yamazaki et al.，1994），卡罗琳洋脊为卡罗琳板块上的构造单元，分东、西两部（图1），东卡罗琳洋脊为古近纪（33～27 Ma）卡罗琳热点作用下形成的海底高原（Keating et al.，1984；Hegarty and Weissel，1988）而西卡罗琳洋脊地壳代表与槽索罗尔海槽裂解有关的MORB 亲和性玄武岩（Zhang et al.，2020），二者随卡罗琳板块持续向西迁移，直至与海沟发生碰撞。卡罗琳洋脊与雅浦海沟的碰撞在雅浦俯冲体系的演化中起着关键作用，但碰撞发生时间仍存争议。Fujiwara et al.（2000）认为碰撞发生在25 Ma 左右，此次碰撞导致雅浦岛弧火山作用停止。Ohara et al.（2002）在NYE 发现K-Ar 年龄为～25 Ma 的火山岩，这说明如果碰撞导致雅浦岛弧火山活动停止，碰撞时间要晚于25 Ma。根据雅浦岛弧角闪石相变质年龄，Zhang and Zhang（2020）认为碰撞发生在～21 Ma，这一时间与帕里西维拉海盆扩张方向改变时间一致。早期研究认为，雅浦海沟岛弧火山作用因卡罗琳洋脊的碰撞而停止（Hawkins and Batiza，1977；McCabe and Uyeda，1983），但Beccaluva et al.（1980，1986）在雅浦海沟陆向坡发现K-Ar 年龄为11～7 Ma 的火山岩，这表明碰撞并未导致雅浦海沟岛弧岩浆作用停止，碰撞后诱发了新一期的岛弧岩浆作用。

本文研究样品具有俯冲相关玄武岩的特征，其地球化学及同位素特征指示其似乎是介于FAB 与成熟岛弧拉板玄武岩之间初始岛弧岩浆作用的产物，其地化特征与雅浦海沟陆向坡火山岩相似（Beccaluva et al.，1980，1986），与NYE 火山岩（Ohara et al.，2002）相比受俯冲组分影响较低，暗示其可能同为洋脊碰撞后，新一期（11～7 Ma）岛弧岩浆作用的产物。

结合所研究样品地球化学及Sr-Nd-Pb 同位素地球特征，我们认为雅浦海沟北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位样品具有BABB 亲和性，可能代表帕里西维拉海盆地壳。海沟南部样品（JL148-S05、JL148-S08）形成于卡罗琳洋脊与雅浦海沟碰撞之后，为碰撞后弧前地幔浅部新生岛弧岩浆作用的产物。当洋脊与海沟碰撞时，早期岛弧岩浆作用因洋脊的阻碍而停止，虽然卡罗琳板块的俯冲速度因洋脊的阻碍而变得缓慢，但却未完全停止。卡罗琳洋脊作为较为年轻的板块（35～30 Ma），本身温度较高，碰撞导致弧前温度进一步升高，随着俯冲的持续（慢速）进行，俯冲板块在弧前浅层地幔脱水，并诱发了弧前地幔发生脱水作用（Ribeiro et al.，2020），导致弧前地幔的部分熔融。此次熔融事件发生在FAB 出现之后，弧前地幔经历多期熔融事件，理应极度亏损，但所研究样品在MORB-OIB 阵列中（图9）与FAB 位于同一亏损区间内，这表明在碰撞发生之前，俯冲启动后相对富集的弧后软流圈地幔随地幔对流流入弧前，中和了弧前地幔的亏损程度（Ribeiro et al.，2020）。所研究样品中Th 的含量偏高，可能继承了碰撞前卡罗琳板块沉积物熔体对弧后地幔源的早期改造，不反映浅层俯冲带过程。随着俯冲的进行，雅浦弧前地幔浅部诱发新一期岛弧火山作用，形成部分新生岩石圈地壳，由于俯冲初期岩石圈较为薄弱，岩石圈地壳因卡罗琳洋脊的侵蚀作用撕裂。随着俯冲—碰撞作用的持续进行，帕里西维拉海盆被逆冲推覆至原雅浦岛弧之上，岩石圈碎片与其他火山岩一起，暴露在雅浦海沟底部。据此本文建立雅浦岛弧构造演化模式（图10）。

碰撞前（图10a）卡罗琳板块早期俯冲阶段，板块脱水流体引发弧下地幔楔的部分熔融，沉积物熔体随地幔对流流入弧后软流圈地幔。碰撞后（图10b）卡罗琳洋脊与雅浦海沟的碰撞导致原雅浦岛弧岩浆作用停止，捕获了早期沉积物熔体的弧后软流圈地幔随地幔对流流入弧前，中和了弧前极度亏损的地幔，年轻的卡罗琳洋脊因碰撞高温在弧前浅部脱水，诱发新期次初始岛弧岩浆作用，同时洋脊碰撞加剧了弧前侵蚀作用，导致帕里西维拉海盆地壳逐渐逆冲至原雅浦岛弧地壳之上。现今（图10c）随着俯冲侵蚀作用的不断进行，卡罗琳洋脊驱使雅浦岛弧地壳不断向西运动，直至帕里西维拉海盆地壳完全推覆至原雅浦岛弧之上，在此过程中，代表不同地质体的岩体因俯冲侵蚀作用共同被剥蚀到海沟底部。

图10 雅浦岛弧构造演化图a.卡罗琳板块与雅浦海沟碰撞前；b.卡罗琳板块与雅浦海沟碰撞后；c.现今状态Fig.10 Model of the tectonic evolution of the Yap Arc

5 结 论

基于雅浦海沟玄武岩全岩主微量元素、Sr-Nd-Pb 同位素地球化学特征，我们认为，雅浦海沟北部Dive113-S02、Dive113-S06 站位样品与南部JL148-S0、JL148-S08 站位样品具有不同的岩石成因与构造意义。北部样品具有弧后盆地玄武岩亲和性，暗示其可能代表帕里西维拉海盆地壳，在卡罗琳洋脊与海沟碰撞这一地质过程中逆冲推覆至原雅浦岛弧之上，后期因俯冲侵蚀作用滑落至海沟底部。

雅浦海沟南部样品具有俯冲相关火山岩的典型特征，大离子亲石元素富集程度较低。Ba/Yb、Th/Yb 值介于弧前玄武岩与岛弧拉斑玄武岩之间，表明样品在形成过程中受到板块流体的影响，但不显著，暗示其为卡罗琳洋脊与海沟碰撞后新生岛弧岩浆作用的产物。碰撞导致雅浦俯冲带早期岛弧岩浆作用停止，来自弧后较为富集的软流圈地幔随地幔对流流入弧前，中和了弧前极度亏损的地幔，年轻且高温的卡罗琳洋脊与海沟的碰撞导致弧前温度升高，俯冲板块在弧前浅部脱水，导致弧前地幔的部分熔融，诱发了新一期次的岛弧岩浆作用。上述岩石因俯冲侵蚀作用剥蚀脱落暴露在海沟底部。