马里亚纳弧前泥火山中变质基性岩的锂和硼同位素研究

In the forearc, the dehydration of the downgoing oceanic slab may result in the serpentinization of the forearc mantle wedge. Meanwhile, the further subduction of the residue of dehydrated slab can cause the formation of island arc magma. Therefore, the research on water/rock reactions in forearc zone can provide crucial constraints on the recycling of fluid and the origin of island arc in the subduction zone. Both lithium and boron are highly fluid mobile elements, which make them powerful tracers for fluid activities in forearc zone. The serpentinite mud volcanoes on the outer forearc of the Izu-Bonin-Mariana intra-oceanic subduction system are composed of serpentinite muds with embedded serpentinized peridotite clasts from the forearc mantle and metabasite clasts, which, therefore, provide ideal samples for "in situ" study of forearc fluid activities. The recent International Ocean Discovery Program (IODP) Expedition 366 drilled at the serpentinite mud volcanoes in the forearc of Mariana and obtained representative samples of metabasite rocks, which had been obtained by the applicant. This application proposed to take advantage of the metabasite samples from two mud volcanoes of this Expedition and to carry out lithium and boron isotope researches, together with detailed petrography, geochemistry, and mineral chemistry researches. Then, we will try to reveal the potential difference of dehydration processes in different slab depths, to explore the significance of forearc fluid activities and water-rock interaction on the recycling of elements and fluid in subduction zone and to provide constraints for the cycle of Li and B elements.

俯冲洋壳脱水过程可以导致地幔楔蛇纹石化、促使岛弧岩浆的形成。早期的研究主要集中在岛弧区和弧后盆地。近年来，俯冲带弧前区域成为国际研究热点。弧前区域水岩作用的研究可以为揭示俯冲带流体循环及岛弧岩浆成因提供重要约束。锂和硼均具有强的流体活动性，是示踪弧前流体活动的有力工具。马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山中携带的变质基性岩碎块，提供了“原位”研究俯冲带弧前流体活动的理想样品。国际大洋发现计划366航次对马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山进行了钻探研究，所获得的变质基性岩样品取得了很多重要进展，但尚未进行锂、硼同位素的联合研究。本申请拟选取该航次不同深度泥火山岩芯中的变质基性岩碎块（申请人已经获得）为研究对象，进行锂和硼同位素的分析，并配合开展详细的岩相学、岩石地球化学和矿物化学研究，揭示俯冲带弧前区域不同深度变质脱水过程的差异，探讨弧前区域流体活动对俯冲带元素及流体循环的意义，并为锂、硼元素再循环提供约束。

俯冲带是全球火山作用（即岛弧岩浆）最为强烈的地区之一，然而其成因仍存在很大争议。早期的研究主要聚焦于俯冲带岛弧区和弧后盆地，近年来，俯冲带弧前区域水岩相互作用的研究逐渐成为国际研究热点。受海山俯冲、板片后撤等因素的影响，马里亚纳俯冲带弧前发育有大量蛇纹岩泥火山，这些泥火山可以携带俯冲隧道内的物质到地球浅表，是研究俯冲带弧前区域的理想窗口。.本项目对马里亚纳俯冲带弧前Fantangisña和Asùt Tesoru蛇纹岩泥火山中的变质基性岩碎块开展了系统的岩相学、岩石地球化学、矿物化学和Li、B同位素研究。岩相学观察显示不同深度的变质基性岩样品具有类似的原始岩浆矿物组成（斜长石和辉石），但蚀变矿物有差异，反映了变质温压条件的区别。Fantangisña变质基性岩温压范围为4kbar，200℃，而Asùt Tesoru为5-6kbar，200-250℃。岩石地球化学工作表明变质基性岩具有类似洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩的特征，表明这些变质基性岩样品代表了俯冲的太平洋板片及其上的海山。矿物化学组成显示蚀变矿物具有富集流体活动性元素的特征，证明了俯冲带浅部变质基性岩可以携带大量流体活动性元素进入弧下深度。变质基性岩样品具有较高的Li浓度（5.4至53.1μg/g），但是Li同位素组成（+3.7至+8.3‰）与洋中脊玄武岩及洋岛玄武岩类似，定量模拟证明俯冲隧道内俯冲板片与沉积物分异流体之间的水岩反应可能是形成其Li同位素特征的主要原因。变质基性岩具有较高的B含量（16.7至43.9μg/g）和B同位素组成（-5.0至+3.2‰），均明显高于新鲜洋中脊玄武岩，并且随着俯冲深度增加，变质基性岩B同位素组成逐渐变轻，表明俯冲脱水作用是形成变质基性岩B同位素变化的主要原因。定量的脱水模拟证明俯冲洋壳释放的流体无法解释岛弧岩石较高的B同位素组成，因此需要俯冲带弧前蛇纹岩俯冲进入弧下深度，进而形成岛弧岩浆较高的B同位素特征。因此该项研究利用弧前变质基性岩，更好地约束了岛弧岩浆的成因，为俯冲带壳幔物质循环提供了重要信息。