徐婕，翟世奎*，于增慧，王軻，張俠

( 1.中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.海洋科學與探測技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

1 引言

地幔中存在著大量的“水”（存在形式：H2O、H+和（HO）?）已是不爭的事實，這些“水”既可以以流體或熔體的形式存在，又可以存在于含水礦物、名義上的無水礦物（Nominally Anhydrous Minerals，NAMs）和致密含水鎂硅酸鹽（Dense Hydrous Mg-Silicates，DHMS）中，對地幔中發(fā)生的諸多地質作用過程都有著重要的影響。洋?洋和洋?陸俯沖帶是水化了的大洋巖石圈板塊俯沖進入地球深處的關鍵部位，也是殼幔相互作用的重要地帶，構成了特有的大洋巖石圈板塊俯沖構造環(huán)境。Tatsumi和Takahashi[1]提出了“俯沖加工廠”（Subduction Factory）的概念，大洋沉積物、洋殼及蛇紋石化的上地幔以及它們所攜帶的海水是“俯沖加工廠”的“原料”，它們在俯沖過程中發(fā)生一系列的物理化學反應，這些“加工過程”是地球系統(tǒng)的重要過程?！霸稀敝械牧黧w一方面因降低物質熔點而導致地幔物質部分熔融[2?3]，產生的巖漿上涌、噴發(fā)形成了火山島弧，并對成礦產生了重要影響；另一方面，“原料”將部分水、碳等組分從地球表層帶入了地球內部，實現了地球圈層間的物質循環(huán)[4?5]。另外，流體還可以改變俯沖板塊及其上覆地幔的結構與構造，從而引發(fā)地震等地質災害[6–7]。因此，俯沖帶不單是火山活動帶、地球物質循環(huán)帶，還是全球礦化帶、構造活躍帶，流體在“俯沖加工廠”中扮演著至關重要的角色。研究流體與俯沖帶重大地質現象和過程之間的聯(lián)系已成為發(fā)展新地球科學理論的潛在生長點。本文主要以大洋巖石圈俯沖帶為例，旨在分析探討流體在俯沖帶的地質作用及其研究進展，并對下一步研究工作的重點進行展望。

2 俯沖帶流體的地質作用

2.1 地幔中的“水”

地震層析成像[8]和電導率測量[9–10]等地球物理探測均證明地幔是“濕”的，也就是說地幔中存在著大量的“水”。Pearson等[11]在巴西Juina的一塊金剛石中發(fā)現了林伍德石包體，此報道為地幔的含“水”性質提供了重要證據。除此之外，天然金剛石中冰-VII相包裹體[12]以及金剛石包裹體中Egg相和δ-AlOOH包裹體[11,13]的發(fā)現也為地幔中有“水”提供了直接證據[14]。

許多學者對地幔的含水量進行了定量的估計，發(fā)現“水”在地幔的不同圈層中分布不均勻。上地幔（<410 km）的“水”主要以結構水的形式賦存于橄欖石和其他礦物之中[15]。地幔過渡帶（410～660 km）含有瓦茨利石、林伍德石、超硅石榴子石以及少量的斯石英，它們與上地幔和下地幔礦物相比能夠溶解更多的“水”[16?17]。下地幔（>660 km）主要礦物為鈣鈦礦和鎂方鐵礦，其儲水能力的實驗研究仍存在較大爭議[18–19]，但水在下地幔組成礦物中的溶解度似乎比過渡帶礦物低得多[2]。在地幔內部的物相界面（上地幔、地幔過渡帶和下地幔之間的界面）上，水在各礦物相中分配系數的差異會導致脫水作用發(fā)生，產生含水層[20]。

“水”的存在能夠對地幔及地幔過程產生重大影響。一方面，即使很少量的水就可以使地幔礦物相發(fā)生改變從而使地幔礦物組成發(fā)生調整，致使地幔物質的黏滯度、電導率和彈性模量等物理參數改變并因此導致地幔物理性質的改變[21]；另一方面，水可以通過降低巖石熔融的溫度，導致地幔物質部分熔融[22]。此外，研究地幔中的“水”對探討軟流圈的起源以及地幔分異、“過渡帶水過濾器”全地幔對流模型、大火成巖省巖石中水含量與微量元素分布的關系、深俯沖過程中弧后板內火山活動、滯留于地幔轉換帶底部的俯沖板塊脫水對地幔轉換帶結構的影響等重大地質現象和過程都具有重要意義[23]。對地幔中“水”的研究是探討地球深部動力學過程的重要環(huán)節(jié)。

2.2 流體對地震的影響

世界上絕大多數強烈的地震都發(fā)生在俯沖帶，流體對這些地震的發(fā)生有著重要的影響。富含水的俯沖板塊及其上覆沉積物在俯沖帶淺部發(fā)生脫水作用，產生的流體在俯沖帶弧前地區(qū)的巨大逆沖斷層帶中聚集，導致斷層處流體壓力增大，摩擦系數減小，對弧前巨大逆沖型地震的孕育成核起到重要作用[24]。近年來，許多研究者對此作了深入的研究，研究結果表明，流體通過俯沖帶緩慢滑移事件發(fā)生遷移，提高了孕震逆沖斷層的孔隙流體壓力，可能影響逆沖斷層的性質并提高引發(fā)巨大逆沖型地震的可能性[25–26]。

板內地震是俯沖帶地震研究的主體，按照發(fā)生深度可被劃分為淺源地震（<60 km）、中源地震（60～300 km）、和深源地震（≥300 km）。地球上約有78%的地震發(fā)生在小于70 km的深度[27]，對于俯沖帶淺源板內地震來說，流體能夠弱化地殼和上地幔巖石[28]，進一步導致其局部變形，從而誘發(fā)較大的淺源板內地震。從熱?巖石模型、野外工作和實驗室工作得出的重要證據表明，脫水脆化可能是導致中等深度地震發(fā)生的機制。已有研究表明，地震發(fā)生的位置與預測的俯沖板塊中脫水位置相吻合[29–30]，中源地震常呈雙地震帶分布，其上、下地震帶分別對應著洋殼藍片巖轉換成榴輝巖過程中脫水的位置和部分交代地幔橄欖巖脫水的位置[31]。另外，蛇紋石、角閃石、金云母、超水化高嶺石及其他黏土礦物等礦物的脫水作用也被用來解釋中源地震的發(fā)生[6]。因此，俯沖板塊的脫水作用可能是中源地震發(fā)生的主控因素。此外，中源地震產生的裂隙可作為俯沖帶流體遷移到地幔楔的通道，對俯沖帶流體的遷移和地幔楔的部分熔融具有重要作用[32]。就深源地震的成因機制而言，仍眾說紛紜，其中脫水脆裂為其中受到廣泛接受和較多討論的一種機制。Okazaki和Hirth[7]認為硬柱石脫水會直接引起俯沖洋殼中不穩(wěn)定斷層滑動，導致中?深源地震的發(fā)生。Zhang等[33]認為榴輝巖中綠輝石和石榴石的晶格缺陷內可能含有大量結構水，在一定的溫壓條件下可能析出微量熔體，誘發(fā)巖石的脆性破裂并導致俯沖帶中等深度地震。但是也有學者，例如Barcheck等[34]通過比較地震速率、地震活動程度和計算出的板塊脫水通量，發(fā)現脫水通量與地震活動度在任何深度上都沒有顯著的對應關系，這證明一些除水之外的因素，例如板塊的應力狀態(tài)，控制著中?深源地震的發(fā)生。

2.3 地幔物質熔融及巖漿的形成

在俯沖帶，經海水蝕變了的洋殼、洋底沉積物及巖石圈地幔中都含有大量的水，除絕熱減壓熔融機制外，俯沖板塊在一定深度條件（溫度和壓力）下釋水并發(fā)生俯沖板塊自身的部分熔融，低密度熔體和流體進入上覆地幔楔可大大降低地幔巖石的熔點，從而導致進一步的地幔物質熔融而產生巖漿則是俯沖帶地幔熔融及巖漿形成的理論機制[3,35]。

俯沖板塊釋放的流體不但能對巖漿的形成產生重要影響，還能對島弧和弧后盆地火山巖中的微量元素分布產生影響。已有研究表明，受板塊俯沖作用影響的島弧和弧后盆地火山巖具有典型的微量元素分布模式[36]，即富集 Ba、Rb、K、Sr和 Pb等大離子親石元素（LILE），而虧損 Nb、Ta、Zr、Hf等高場強元素（HFSE），這正是流體中所富含的俯沖遷移元素對巖漿源區(qū)地幔改造的結果。

地幔楔生成的巖漿在上升到地表（或海底）并噴出之前還要經過一系列復雜的地質作用，例如結晶分異作用和分離結晶作用、地幔物質的陸續(xù)熔融混入和地殼物質的混染等。巖漿中所裹挾流體的多少還會影響礦物結晶析出的順序，例如巖漿中高的水含量可以強烈地抑制斜長石的結晶[37]，使島弧熔巖和弧后盆地玄武巖（BABB）中礦物的結晶順序不同于大洋中脊玄武巖（MORB），且?guī)r漿中水的含量越高，斜長石出現的時間越晚[38]。

2.4 巖漿作用與熱液循環(huán)

現代海底熱液活動廣泛分布于大洋中脊、弧后盆地、熱點火山、島弧等巖漿作用活躍的構造環(huán)境，往往和巖漿作用相伴生。海底熱液活動不但可以將大量地下元素或物質輸入大洋水體，從而影響了大洋海水的物質組成及生態(tài)環(huán)境，導致現代海底熱液噴口周圍發(fā)育有大量生物群落[39–40]，還可以在海底形成熱液多金屬礦床[41]。

傳統(tǒng)的海底熱液活動系統(tǒng)模式認為：冷的海水沿巖石裂隙或孔隙下滲，在巖漿房上部受熱并與周圍巖石發(fā)生反應，萃取出巖石中的金屬元素；富含金屬離子的熱液流體由于受熱比重減小而向上運移，最終噴出海底；釋放出的熱液流體由于溫度、介質、氧化還原條件的改變而發(fā)生礦物沉淀，形成多金屬硫化物等熱液沉積物[42–43]。這種熱液活動及其成礦作用模式被稱為“海水循環(huán)模式”或“淺層循環(huán)模式”[44–45]。近年來，隨著研究工作的不斷深入，巖漿作用對熱液活動的物質貢獻逐漸引起了研究者的重視，陸續(xù)提出并完善了“巖漿后期熱液注入模式”[46–47]，該模式認為隨著巖漿不斷的結晶演化，殘余巖漿中不斷富集水、揮發(fā)性組分和不相容的金屬元素并產生巖漿后期熱液，巖漿后期熱液可直接釋放進入熱液系統(tǒng)中，為熱液成礦作用提供了直接的物質來源。在巖漿作用強烈、裂隙較發(fā)育的熱液區(qū)，“海水循環(huán)模式”和“巖漿后期熱液注入模式”可能同時存在，形成了“雙擴散對流模式”（圖1）。雙擴散對流模式可以解釋海水循環(huán)模式難以解釋的眾多現象[48]。

圖1 海底熱液活動雙擴散對流模式（據文獻[48]）Fig.1 The model of double diffusive convection of modern seafloor hydrothermal activity (from reference [48])

3 俯沖帶流體作用的研究

3.1 板塊俯沖過程中的流體及其作用

俯沖洋殼主要由洋底沉積物、蝕變大洋玄武巖以及下伏輝長巖組成，沉積物和玄武巖的孔隙中含有自由水，含水礦物中含有結合水[35,49]。Peacock[4]認為，在俯沖帶每年約有8.7×1011kg的水運移至地球深部，通過島弧和洋中脊的巖漿噴發(fā)返回地表的水每年約為2.0×1011kg。最近的研究表明，俯沖洋殼攜帶水的能力被嚴重低估，相比于Peacock[4]得出的結論，俯沖作用實際上能將更多的水帶入地球內部[50]。在俯沖板塊向下彎曲處，水或流體可沿構造壓力較低、滲透率較高的斷層或裂隙向下泵入俯沖板塊[51]。在板塊平直區(qū)段，由于溫度和壓力的增加，從脫水板塊釋放的流體進入上覆地幔楔或進入俯沖板塊內部隨其俯沖到地幔深部。地震學研究表明，俯沖板塊能將一定數量的水帶入地幔內部甚至核幔邊界[52–53]。因此，俯沖帶脫水作用是深部水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一。

CO2是除水以外在俯沖帶最為常見的流體組分，主要可以通過俯沖變質脫碳反應[54]、俯沖板塊釋放流體的溶解作用[55–56]、俯沖板塊上部含有碳酸鹽的沉積物和蝕變洋殼的熔融作用[57–58]以及碳酸鹽巖和碳酸鹽沉積物的底辟作用加入地幔[59–60]。最新研究表明，全球俯沖帶每年可以將（82±14）Mt的碳輸入到地球深部[5]。

除水和CO2之外，俯沖帶流體中還含有包括S、N2及鹵素在內的大量揮發(fā)性組分，這些流體主導著從板塊到地幔楔和地殼的質量和能量轉移，對上述巖漿作用、地震活動和成礦作用等地質作用過程都有著重要影響或控制作用[49,61]。

俯沖帶的熱結構是決定俯沖板塊巖石中含水礦物穩(wěn)定性的關鍵，也決定了板塊脫水的位置和脫水量[62–63]。由于不同俯沖帶地熱梯度的不同，俯沖大洋巖石圈不僅在脫水速率和脫水量上存在一定的差異，而且水從俯沖洋殼向地幔深處的輸運也具有不同的P–T路徑。鄭永飛等[64]對俯沖板塊在不同地熱梯度下的脫水特征進行了總結。在冷到超冷的俯沖帶，地熱梯度非常低（≤5℃/km），在弧前深度釋放出的水相比熱俯沖帶少得多，大量的水進入角閃石、云母、綠簾石等高壓含水礦物中并被板片帶至弧下深度，通過變質脫水和含水礦物的分解[65–66]、名義上無水礦物中結構羥基和分子水的逸出[67]釋放。釋放出的流體會導致地幔楔中的橄欖巖發(fā)生蛇紋巖化、綠泥石化乃至角閃石化。然而在地溫梯度較高（>25℃/km）的熱俯沖帶，俯沖大洋巖石圈在淺層明顯脫水，含水礦物發(fā)生分解，釋放出來的水以孔隙流體的形式向上運移。因此，其弧前地幔楔水化作用比冷俯沖帶更強，只有少量的水能夠被帶到地幔更深處。在冷俯沖帶、熱俯沖帶這兩種端元脫水模式之間存在大量的中間模態(tài)，使得俯沖帶脫水方式多樣。

按所含流體及其內來自俯沖板塊元素或離子的含量，可將俯沖帶熔體/流體分為含水熔體、富水熔體、富水流體和超臨界流體[68]。超臨界流體通常是指在平衡體系中溫度和壓力超過臨界點值時，存在形式介于氣體和液體之間的流體[69]，包括超臨界純流體（H2O+CO2）和超臨界KCl溶液，它們具有黏度低、易流動與對熔體潤濕性強的特點[70]。Kessel等[71]的實驗表明，超臨界流體可以攜帶高濃度的LILE、Pb、Th、U、Sr和LREE。Rapp等[72]的實驗則證明超臨界流體可以溶解并搬運HFSE。超臨界流體比富水流體中各種元素離子的含量高，但是比富水熔體中的含量低[73]。熔體（包括富水熔體和含水熔體）相比于富水流體能夠攜帶更多的主、微量元素，可達富水流體的5～10倍。

早期對俯沖帶流體的研究重點是根據預測的熱結構和洋殼巖石的最大含水能力，確定板塊中流體的釋放位置和釋放量[62–63]。然而，流體在釋放后如何遷移，如何分配進入上覆地幔楔、板塊界面和板塊內部，仍然是一個懸而未決的科學問題。了解流體在俯沖帶的遷移對認識俯沖帶的地震活動和進入深部的流體通量等都至關重要。通過模擬和高溫高壓實驗可以研究流體是如何通過地幔楔運移到部分熔融位置以及流體在這個過程中所發(fā)生的變化[74]。流體運移到部分熔融位置的過程可以通過集中流、孔隙流和底辟流的形式，其中集中流是輸送微量元素最簡單有效的形式[75]。近幾年的研究表明，流體在地幔楔中的運移主要有3種模式：（1）變質的橄欖巖被俯沖板塊向下拖動，在一定的溫壓條件下含水礦物分解并釋放出流體，這些流體交代上覆部分地幔楔使其變質并產生新的流（熔）體，這些流（熔）體的運移可以進一步交代更大范圍的地幔楔，此過程不斷往復直至形成一定規(guī)模的巖漿體；（2）板塊流體在地幔楔體中的輸運是通過裂縫中的集中流而不是孔隙流[74–75]，這導致流體與橄欖巖之間的相互作用很有限；（3）濕橄欖巖固相線處于較低的溫度下，以致于在一定深度上釋放的俯沖流體將立即引發(fā)地幔的局部熔融，流體的運移完全以含水玄武質熔體的形式進行[76]。

綜上所述，目前對俯沖帶流體地質行為的認識主要是基于地球物理探測、高溫高壓實驗和對地表火成巖的研究結果，也就是說模式是間接的定性理論（假說），尚缺乏直接的證據，也難以準確地定量評估通過板塊俯沖作用進入地球深部的“流體”通量。今后工作有待于全面、準確地描述俯沖作用中流體的物理和化學行為，建立俯沖帶流體地質作用的定量理論模型。

3.2 巖漿作用過程中流體作用地球化學示蹤研究

俯沖帶巖漿作用中流體的作用一直是地質學家們關注的重要課題之一。微量元素地球化學、穩(wěn)定同位素地球化學、放射性同位素地球化學等方法被廣泛用于俯沖帶流體行為的示蹤研究。隨著現代測試分析技術的發(fā)展，同位素地球化學示蹤方法正在被越來越多地應用于俯沖帶流體作用的示蹤研究。Li、B、Be和鈾系等元素同位素被用于示蹤島弧流（熔）體的作用過程已被證明是行之有效的，La-Ce、Mg、Cl、Tl、Zn、Ba、Mo、Ce等非傳統(tǒng)同位素在近幾年也被嘗試應用于島弧流（熔）體行為的示蹤研究，極大地豐富了俯沖帶流（熔）體作用示蹤研究的內容。

3.2.1 微量（稀土）元素（比值）示蹤

在板塊俯沖過程中，強遷移元素（如Rb、Ba、K和Pb等）可以從俯沖的板塊或沉積物中隨流體或熔體析出而進入上覆地幔楔中，它們可被用于指示俯沖物質對地幔中巖漿作用的總體影響。Th和U則主要是通過高溫熔融產生的熔體加入到地幔楔中，主要被用于指示深部（熔融）俯沖組分的影響[77]。在實際工作中，常常使用遷移元素與非遷移元素的比值或強遷移元素與弱遷移元素的比值（如Ba/La、Cs/Rb、Th/Nb和Pb/Ce等）來指示俯沖組分在淺部或深部對巖漿作用的影響或貢獻，構成比值的各元素在地幔熔融和結晶分異過程中具有相近的總分配系數，而在以水為主的流體中具有不同的遷移能力[78–79]。除上述常見微量元素比值外，一些新的微量元素比值也正在被嘗試應用于示蹤流體/熔體的作用過程，如Li/Y、Cl/Nb、F/Cl、I/Cl和Br/Cl比值等，它們?yōu)檠芯扛_帶流體對巖漿作用的貢獻提供了新的方法和手段[80–81]。

3.2.2 放射性元素同位素示蹤

放射性元素同位素自20世紀中晚期就被廣泛應用于俯沖帶流體作用的示蹤研究。

10Be是一種宇宙成因的放射性核素，在大洋沉積物中富集，在地幔中虧損或缺失，因此Be及其同位素組成被廣泛應用于判斷是否有俯沖沉積物進入巖漿熔體中。Gill等[82]研究發(fā)現俾斯麥弧巖石中230Th/232Th比值與10Be/9Be、B/Be比值呈正相關，而與238U/230Th比值之間不存在正相關關系，從而判斷源于400 km深處的巖漿已經沒有俯沖沉積物的貢獻。Dreyer等[83]和Shimaoka等[84]的研究發(fā)現火山巖中10Be含量及10Be/9Be比值沿著橫切島弧由海向陸方向逐漸降低，據此認為俯沖沉積物為島弧甚至弧后地區(qū)的巖漿作出了物質貢獻。

138La-138Ce體系（T1/2=292.5 Ga）[85]是一種示蹤俯沖沉積物的新工具。但是，使用138La-138Ce作為俯沖沉積物示蹤指標也面臨一定的挑戰(zhàn)，這是因為母體138La在其同位素體系中豐度很低，且其半衰期很長，在地質過程中不易發(fā)生分餾，因此作為其子體的138Ce的豐度也遠小于核素140Ce的豐度，這導致了質譜法測試的難度增大。近年來，隨著TIMS技術的發(fā)展[86]，Ce同位素應用于島弧系統(tǒng)火山巖的研究逐漸出現[87–88]，在這些研究中La-Ce常常與Sm-Nd同位素聯(lián)用。Bellot等[88]測試了馬里亞納火山巖和馬里亞納海溝俯沖沉積物的143Nd/144Nd、138Ce/142Ce比值，利用Ce-Nd端元混合模型得出火山碎屑沉積物組分對馬里亞納火山巖提供了0.75%～2.5%的物質貢獻。為了更好地理解Ce及其同位素在俯沖帶的行為，未來還需要更多的實驗和分析測試數據的支撐。

鈾系核素可以在俯沖板塊脫水和部分熔融過程中發(fā)生衰變[89–90]，使母、子體放射性活度發(fā)生變化，從而導致火山巖中的鈾系不平衡。由于母體和子體的不平衡在分餾后的5個半衰期后恢復到長期平衡，因此這種不平衡可以作為研究俯沖帶流體運移和巖漿作用時間的尺度工具。Hawkesworth等[91]報道了馬里亞納、湯加?科馬德克、瓦努阿圖等島弧火山巖中U、Th、Sr、Nd的同位素組成，并據此推斷流體從俯沖板塊釋放出來至巖漿噴發(fā)經過了3萬～12萬年的時間，進而推斷流體通過地幔楔的平均輸送速率為1～4 m/a。Avanzinelli等[92]報道了馬里亞納島弧熔巖的235U-231Pa以及238U-234U-230Th-232Th的同位素組成，并據此認為馬里亞納火山巖中的U-Th-Pa體系的同位素特征更多地受到了俯沖組分而不是地幔部分熔融的影響。目前，對造成鈾系不平衡的原因主要有兩種模型解釋：（1）流體加入模型，即俯沖物質加入地幔楔中造成了鈾系不平衡；（2）地幔增長熔融模型，即長期的地幔熔融過程造成了鈾系不平衡。這兩個模型都能夠解釋一部分地球化學現象，但都存在著一定的局限，前者無法解釋巖漿巖中普遍存在的231Pa過剩，后者無法解釋226Ra/230Th和Sr/Th、Ba/Th之間的相關性。黃方和冷偉[93]認為俯沖速率影響了地幔楔孔隙度大小，孔隙度大小控制了熔體在地幔楔中的運移速度和時間，從而控制著鈾系不平衡，因此俯沖速率控制地幔楔的逐步熔融是產生島弧巖漿巖鈾系不平衡的首要原因，島弧火山巖的鈾系不平衡和流體何時加入地幔楔沒有直接關系。黃方和張鞠琳[94]認為大多數島弧巖漿巖不能代表地幔熔融的原始成分，因為巖漿在演化過程中受到了同化混染，島弧巖漿巖的鈾系（特別是短半衰期核素）不平衡會因此受到影響。同化混染過程中產生的226Ra/230Th和10Be/Be或238U/230Th呈正相關關系，而這些參數常被認為是俯沖流體加入地幔楔的指示。因此，島弧巖漿巖的鈾系不平衡更可能是地幔熔融的結果，而不是流體直接加入的結果。

綜上所述，鈾系核素被用于示蹤俯沖物質進入地幔楔的過程、地幔部分熔融過程以及巖漿自產生到噴出地表的演化過程都還存在眾多的疑問或不確定性，有待于更多資料的積累和對鈾系核素在上述過程中的行為更為系統(tǒng)性和深入的研究。

3.2.3 穩(wěn)定元素同位素示蹤

Li主要富集于沉積物和蝕變洋殼中，在地幔中虧損[95]。7Li具有較強的流體活性，能夠隨俯沖板塊脫水產生的流體進入上覆地幔楔，從而使得地幔楔中的Li同位素變重[96]。另外，Li在巖漿結晶分異過程中具有中等不相容性，傾向于進入熔體相，在高溫巖漿作用過程中Li同位素不發(fā)生分餾[97]。在俯沖板塊的部分熔融過程中Li也不發(fā)生顯著的分餾[98]。這些特點使得Li及其同位素組成特征在研究俯沖帶地球化學過程中被廣泛應用。自20世紀80年代以來，隨著熱電離質譜（TIMS）以及多接收電感耦合等離子體質譜（MC-ICP-MS）等技術的快速發(fā)展，Li同位素的精確測量得以實現[99–100]。目前，研究工作主要集中在以下幾個方面：主要地質儲庫的Li同位素組成[101–102]、俯沖帶流體交代后地幔楔中δ7Li值的分布[103–104]、使用流體–地幔楔混合組分模擬探討各端元對Li同位素的相對貢獻[105]、Li的擴散分餾機制對島弧火山巖δ7Li值的影響[106–107]以及礦物中Li同位素組成及分餾機制[108–109]。

B具有高流體活動性，且B在自然界中不受氧化還原條件支配[110]，在沉積物、蛇紋石、蝕變洋殼和未發(fā)生變質作用的地幔等不同儲庫中B和δ11B值的變化較大[111–113]，這些特點使B及δ11B值成為示蹤俯沖帶流體行為的有效工具。在過去的20多年中，早期研究重點主要集中于δ11B值在橫穿島弧方向上隨俯沖深度增加的變化[114]，并對B的主要來源進行了探討[113]；近年來則強調通過結合其他同位素來定量估算俯沖組分對島弧巖漿的貢獻[115–116]。

盡管早期實驗研究認為溶解于流體中的Mg含量很低[117]，但最近研究表明Mg在俯沖帶變質作用中具有流體活性[118–120]。在地幔熔融和玄武質巖漿的分異過程中，Mg的同位素不會發(fā)生明顯的分餾作用[121]。因此，Mg的同位素可能是研究俯沖帶流體作用的有效工具。Li等[122]通過研究加利福尼亞州Franciscan Complex的橄欖巖，認為在板塊?地幔界面上，Mg的同位素組成可能在流體變質作用下產生較大的變化。已有資料表明，俯沖帶流體具有高的δ26Mg值，而俯沖碳酸鹽巖因俯沖溫度、壓力增高產生的熔體具有低的δ26Mg值，若二者同時對地幔楔發(fā)生交代作用則可能不會導致島弧巖石中的δ26Mg值發(fā)生明顯改變[123]。Teng等[124]研究了馬提尼克島的熔巖，發(fā)現其具有高δ26Mg 值（δ26Mg=?0.25‰～?0.1‰），這是第一例島弧巖石重于大洋玄武巖中鎂同位素的實例，他們認為高δ26Mg值是由于蝕變的俯沖板塊在俯沖過程中脫水并釋放高Mg物質優(yōu)先進入地幔楔并對其進行了改造的結果。在菲律賓海盆和勞海盆中也發(fā)現了具有高δ26Mg值的火山巖，但哥斯達黎加海盆中火山巖卻具有較低的δ26Mg 值（δ26Mg=?0.32‰～?0.27‰）[125]。因此，Mg的同位素組成可能是示蹤板塊俯沖作用過程中流體行為的又一良好示蹤劑，但有待于更多的分析測試資料，以對Mg同位素組成的變化機制有更深入系統(tǒng)的了解。

在利用氯同位素示蹤不同俯沖組分對島弧或弧后盆地巖漿作用影響的研究中，島弧或弧后盆地的火山巖全巖樣品常被選作測試和研究的樣品[126–128]。然而，近十多年來不同島弧和弧后盆地熔巖中橄欖石熔體包裹體的氯同位素組成的研究為我們提供了新的認識。Bouvier等[129]的研究發(fā)現橄欖石熔體包裹體具有比其寄主巖石低的δ37Cl值，據此推測全巖樣品可能由于巖漿脫氣過程中的動力學分餾而丟失了其原始的37Cl。因此，研究火山巖中橄欖石熔體包裹體的氯同位素組成能幫助我們更好地了解相對原始的巖漿中的氯同位素組成信息。Layne等[127]、Bouvier等[129]和Manzini等[130]的研究結果則顯示島弧和弧后盆地熔巖中橄欖石熔體包裹體的δ37Cl值的分布范圍較寬（>4.0‰），不同弧后盆地和島弧熔巖中橄欖石熔體包裹體的氯同位素組成明顯不同，同一樣品中不同的橄欖石熔體包裹體的δ37Cl值也具有明顯差異（可達2.5‰）。不同島弧之間橄欖石熔體包裹體的δ37Cl值差異可能與俯沖帶的熱結構差異[130]和Cl的主要來源差異[129]有關。同一樣品中不同的橄欖石熔體包裹體的δ37Cl值不同可能反映了不同來源Cl的加入[129]。

在最近幾年，不少學者探討利用Tl同位素組成特征來示蹤俯沖組分對俯沖帶巖漿活動的貢獻[131–133]。Tl在流體中呈中等活性，但在大洋沉積物中富集[134]，而在地幔楔中含量極低（約0.5 mg/g）[135]，Tl的同位素組成在俯沖沉積物、蝕變洋殼和上地幔中也明顯不同[133,135]。因此，Tl及其同位素組成對地幔楔中俯沖物質的加入反應十分敏感，能夠有效地示蹤俯沖帶巖漿中的俯沖組分。Prytulak等[134]首次將Tl同位素應用于島弧地區(qū)巖漿巖的研究，發(fā)現馬里亞納島弧熔巖的Tl同位素分布范圍較窄，且在MORB的Tl同位素組成變化范圍之內，因此認為該島弧處俯沖物質的Tl同位素變化范圍很有限，原因是此地俯沖的大洋沉積物主要由火山碎屑組成。Nielsen等[131–132]和Shu等[133]利用Tl-Sr-Nd-Pb同位素對不同島弧和弧后盆地中的火山巖進行了研究，成功識別出了俯沖沉積物和蝕變洋殼對島弧地區(qū)巖漿源區(qū)地幔的影響。Nielsen等[131–132]發(fā)現湯加?科馬德克島弧、阿留申島弧和中美洲尼加拉瓜島弧熔巖的Tl同位素組成特征主要受到了俯沖沉積物的影響，而中美洲哥斯達黎加島弧熔巖的Tl同位素組成特征主要受到了蝕變洋殼的影響。Shu等[133]發(fā)現琉球島弧和沖繩海槽火山巖中Tl同位素與Sr、Nd和Pb同位素的變化特征相同，琉球島弧火山巖中的Tl同位素組成特征沿島弧方向發(fā)生變化且與沉積物中Tl同位素變化特征一致，據此認為島弧和弧后盆地火山巖中的Tl同位素組成受到了俯沖沉積物的控制。在此基礎上，Shu等[133]分別建立了琉球島弧和沖繩海槽火山巖中Tl同位素與Sr、Nd和Pb等元素同位素的二端元混合模型，探討了進入島弧下方地幔楔的俯沖沉積物通量。在未來的研究中，建立不同地熱背景和沉積物輸入條件下的俯沖帶熔巖Tl濃度及其同位素數據庫，是未來有效利用Tl作為俯沖帶物質輸運示蹤指標的必要條件。

Zn具有中等遷移能力并在俯沖帶的流體中富集[136]。與地幔物質相比，沉積物、蝕變洋殼和蛇紋巖中具有迥異的Zn同位素組成[137–138]，巖漿的結晶分異作用對Zn同位素的影響也很有限[139]。因此，Zn的同位素組成特征有望成為判斷俯沖流體進入巖漿的精準判別指標。Huang等[140]研究了中美洲、勘察加、阿留申群島及小安第列斯群島火山巖中Zn的同位素組成，發(fā)現幾乎所有巖石的δ66Zn值都與地幔相似或比地幔略??；在其中一個島弧的火山巖中δ66Zn值與Ba/Th和87Sr/86Sr比值呈負相關，他們據此認為流體的δ66Zn值是小的，流體的加入改變了地幔楔的Zn同位素組成。但是，相反的結論來自Huang等[139]對勘察加?阿留申島弧熔巖及弧后盆地玄武巖的δ66Zn值與Ba/La、Ba/Th、Sr/Y和Hf/Lu等比值相關性的研究。因此，迄今對俯沖帶這一復雜體系中Zn的同位素組成特征還不清楚，利用Zn的同位素組成來示蹤俯沖流體進入巖漿的過程和定量估算的研究尚處于初始階段。

Ba是流體活動元素[71]，俯沖沉積物和洋殼脫水產生的流體中富集Ba[141–142]。在地幔物質的熔融和巖漿的結晶演化過程中，Ba又是高度不相容元素。因此，Ba的含量及其變化是示蹤板塊俯沖和物質循環(huán)的另一個獨特指標[143]。然而，迄今還沒有發(fā)現巖漿巖中Ba的同位素組成特征與距離海溝的距離、部分熔融程度、俯沖流體組分混入等之間有著明顯的相關性，這種特征被解釋為Ba在隨流體進入上地幔楔的過程中發(fā)生了同位素分餾且大量Ba的加入可能使地幔楔中的Ba同位素組成發(fā)生了均一化[144]。目前，對于俯沖過程中Ba同位素的行為及其在俯沖帶巖漿過程中的示蹤應用研究正處于起步階段。

近十幾年以來，Mo同位素開始被應用于島弧火山巖的研究[145–147]。但是，由于Mo及其同位素在俯沖帶脫水作用及巖漿作用中的行為和性質仍存在爭議，Mo及其同位素組成能否作為俯沖帶流體的有效示蹤劑也需要更深入系統(tǒng)的研究。Noll等[148]認為在板塊脫水過程中Mo不易隨流體遷移，而Green和Adam[149]則認為Mo在俯沖帶溫度和壓力條件下的水溶液中具有強遷移能力。K?nig等[150]認為Mo隨俯沖板塊中流體的遷移是Solomon島弧火山巖中Mo富集的原因。Voegelin等[151]則認為Mo同位素組成隨巖漿演化而發(fā)生系統(tǒng)性變化，但Willbold和Elliott[152]認為結晶分異過程中Mo同位素組成變化有限。Freymuth等[146]發(fā)現馬里亞納島弧熔巖富集Mo且其δ98/95Mo值高于MORB，從而認為幾乎未蝕變的深層俯沖洋殼發(fā)生脫水作用，產生的流體在脫水作用和流動過程中發(fā)生Mo同位素分餾，使流體具有高98Mo/95Mo比值，這些流體加入地幔導致了巖漿具有較重的Mo同位素組成。K?nig等[147]認為：盡管具有高δ98/95Mo值的火山巖受到了俯沖流體的影響，且火山巖的低δ98/95Mo值與沉積物熔體的加入有關，但不能簡單地把火山巖中低的δ98/95Mo值歸因于俯沖沉積物的部分熔融作用，這是因為在俯沖洋殼脫水時，洋殼中形成了具有輕Mo同位素組成的次生礦物相，這導致加入地幔楔的流體具有重的Mo同位素組成。隨著俯沖沉積物的熔融，一些次生相可能發(fā)生分解，使熔體的δ98/95Mo值降低，從而導致一些島弧火山巖具有低δ98/95Mo值。綜上所述，Mo及其同位素組成在俯沖帶脫水作用和巖漿作用中的行為需要更多的資料和研究來證實。

Se 是一種親銅元素[153–154]，并且具有中等揮發(fā)性[155]。地幔與地殼中Se的含量及其同位素組成具有巨大差異，因此俯沖組分的加入將使地幔中Se的同位素組成產生變化[156?157]。Se同位素不受巖漿脫氣和結晶分異作用的影響，因此洋底火山熔巖的δ82/76Se值可能保留了其“源”的特征[158]。Kurzawa等[158]對馬里亞納島弧火山巖進行了Se含量及其同位素組成分析，發(fā)現其δ82/76Se值明顯低于地幔且變化范圍較大（δ82/76Se=0.03‰～?0.33‰），據此認為這可能是由于俯沖組分的加入所造成的。

3.3 巖漿作用與現代海底熱液活動系統(tǒng)

前文提到，傳統(tǒng)的海底熱液循環(huán)模式很難解釋近十幾年來所發(fā)現的一些事實[48]。其一，洋殼巖石十分致密，雖然海底之下200 m深以內巖石的滲透率足以“允許”海水下滲，但海底之下200～700 m的火山巖孔隙度逐漸減小，1 000 m以下巖石的滲透率不足以形成流體循環(huán)，因此不可能有深部的流體循環(huán)發(fā)生[159–160]；其二，按熱液流體溫度為300℃左右，計算得出在洋中脊處進行一次海水循環(huán)，通過巖/水反應使下滲海水中金屬元素含量達到熱液中的濃度的時間為8～10 Ma，而按洋中脊半擴張速率（3 cm/a）計算可知：如果海水循環(huán)模式成立，則海底熱液噴口應分布在距離擴張軸240～300 km處，而不是現在所發(fā)現的熱液噴口主要集中在洋中脊擴張軸附近[161]。

王淑杰等[48]的“雙擴散對流循環(huán)模式”（見前文）可解釋許多傳統(tǒng)的海水循環(huán)模式難以解釋的現象，如：熱液循環(huán)只發(fā)生在洋殼上部滲透率高和裂隙發(fā)育的巖層，這可以解釋海底1 000 m以下洋殼滲透率低使流體循環(huán)無法發(fā)生的問題；洋中脊軸部集中發(fā)生熱液活動是因為該處熱液活動模式以巖漿注入模式為主；熱液及其形成的硫化物礦物的87Sr/86Sr比值大部分靠近地幔和海底玄武巖端元是因為源于地幔的巖漿對熱液系統(tǒng)具有物質貢獻等。

在巖漿后期熱液注入過程中，巖漿作用既能夠為下滲的海水提供熱源，使其萃取巖石中的金屬元素，又能通過巖漿后期熱液流體和揮發(fā)性組分的加入為熱液系統(tǒng)提供直接的成礦物質。硫化物礦物（氣液）包裹體研究、巖漿熔體包裹體研究和同位素研究為此提供了豐富而有力的證據[162]。Vidal和Clauer[163]發(fā)現東太平洋海隆21°N熱液活動區(qū)硫化物的87Sr/86Sr比值介于基底玄武巖和海水之間，從而認為熱液為巖漿作用后期熱液和海水的混合物。侯增謙等[164]發(fā)現沖繩海槽長英質巖中脈狀硫化物的3He/4He比值可達29.9 Ra。于增慧[165]發(fā)現沖繩海槽熱液區(qū)火山巖中氣液包裹體和熱液成因礦物中流體包裹體的揮發(fā)性組分幾乎一致，證明了巖漿對熱液成礦的物質貢獻。Herzig等[166]發(fā)現勞海盆Hine Hina熱液活動區(qū)硫化物礦物的 δ34S 值很低（δ34S=?3.4‰～?5.7‰），Kim 等[47]發(fā)現馬努斯海盆SuSu Knolls熱液活動區(qū)硫化物也具有很低的 δ34S 值（δ34S=?3.9‰～?8.0‰），他們都認為這可能是巖漿揮發(fā)性組分中的SO2發(fā)生了歧化作用并對熱液系統(tǒng)產生了貢獻所造成的。

島弧和弧后盆地是現代海底熱液活動集中分布的區(qū)域，孕育了全球已發(fā)現海底熱液活動區(qū)的30%左右[39]。自板塊構造理論被廣泛接受以來，俯沖過程與成礦的關系一直是成礦學研究的重點[167]，島弧和弧后盆地是熱液活動和成礦作用調查研究的重點區(qū)域之一。對于俯沖背景下的現代VMS（Volcanic-associated Massive Sulfide）型礦床，海水和巖漿流體在其成礦作用過程中起著關鍵作用。已有研究表明，現代海底熱液礦床中的易溶元素（如Pb、Zn和Ag等）主要源于海水對巖石的淋濾，而難溶元素（如Cu、Sn、Bi和Mo等）主要源于巖漿。海水沿著海底巖石的孔隙和裂縫下滲，一方面其攜帶的Ba和Pb等元素直接進入熱液循環(huán)系統(tǒng)，另一方面受到巖漿加熱的高溫海水淋濾萃取了海底巖石中的Zn、Mn、Fe等金屬元素進入熱液系統(tǒng)。巖漿作用后期流體不僅能夠為熱液系統(tǒng)提供熱源，還能為流體提供成礦物質：一方面，富含金屬的巖漿后期熱液流體能直接加入熱液系統(tǒng)；另一方面，巖漿通過噴發(fā)前的去氣作用會釋放H2O、CO2、Cl、S和F等揮發(fā)性組分，若這些攜帶大量金屬元素的揮發(fā)性組分脫離巖漿而形成不混溶流體，且進入熱液系統(tǒng)，則會對海底熱液成礦提供充足的成礦金屬元素[46]。另外，不同性質流體的混合作用也能促進金屬硫化物的沉淀成礦，尤其是當熱液上升到近海底或進入煙囪體時，將與海水發(fā)生強烈的混合作用，造成大量金屬硫化物的沉淀。

4 近期主要研究方向分析

大洋巖石圈板塊俯沖帶是最近幾年地球科學研究中的熱點區(qū)域之一，這里是全球物質循環(huán)的關鍵節(jié)點，同時又是與地球環(huán)境和人類社會發(fā)展密切相關的火山活動、地震活動和成礦作用的聚集帶。在俯沖帶，水化了的大洋巖石圈板塊俯沖進入地球深處，導致一系列全球規(guī)模的地質作用。因此，俯沖帶很可能是繼板塊構造理論之后，新地球科學理論的孕育誕生地。在俯沖帶一系列復雜的地質作用過程中，流體是貫穿板塊俯沖及其所導致的各種重要地質作用過程的介質（圖2），從而成為研究這些重要地質作用的示蹤劑。

盡管人們嘗試各種技術手段試圖了解發(fā)生在俯沖帶的地質作用過程，但因受到當前科學技術發(fā)展的限制，至今還無法有效地查明地下深處的物質組成、結構構造、發(fā)展演化、動力機制等重大科學問題。在迄今所有可用的技術手段中，地球化學方法無疑是最有效的手段之一，因為任何地質作用過程無不導致元素的遷移轉化和同位素的再分配。如前文所述，在應用于俯沖帶流體作用過程示蹤的眾多地球化學手段方法（元素及其同位素指標）中，還沒有一個被證明是定量準確和通用有效的指標，大多方法或指標都存在一定的局限性，這一方面是因為俯沖帶地質作用的復雜性，另一方面更是由于迄今所觀測獲得的數據十分有限，資料缺乏系統(tǒng)性或全面性。因此，在近期的研究工作中應該強化以下4個方面的調查研究：

圖2 俯沖帶流體的地質作用Fig.2 Geological processes of subduction zone fluids

（1）進一步準確地定量評估通過板塊俯沖作用進入地球深部的“流體”通量，為最終解決全球地球化學或物質循環(huán)問題作出貢獻。俯沖作用能將大量“流體”帶入地球深部，是地球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。很多研究定量評估了隨板塊俯沖作用進入地球內部的“流體”通量，但由于研究方法不同，這些研究結果之間差異很大，因此通過俯沖作用進入地球深部的流體通量還需要進一步的精確，以便為最終解決全球地球化學或物質循環(huán)這一重要科學問題作出貢獻。

（2）全面、準確地描述俯沖作用中流體的物理和化學行為，建立俯沖帶流體地質作用的理論模型。俯沖帶流體的生成、規(guī)模和遷移等問題目前尚主要依賴于實驗巖石學的結果。富水流體、超臨界流體、含（富）水熔體各自形成的條件和彼此的相互轉化還需要更深入的研究。俯沖流體在地幔楔、俯沖板塊?地幔楔接觸界面和板塊內部的分配比例仍不清楚。因此，全面、準確地描述俯沖作用中流體的物理和化學行為將成為今后俯沖帶流體研究的重點和熱點。

（3）充分利用現代化的測試分析手段，重點獲取礦物原位微區(qū)分析、礦物流體包裹體物理化學指標測試、穩(wěn)定和放射性元素同位素分析等方面的精細準確數據，用于查明當前取樣觀測手段無法觸及的地下深處物質狀態(tài)和作用過程。礦物原位微區(qū)分析是近年來新興起的分析技術，能夠在避免繁瑣的化學分離提純程序和節(jié)約成本的同時使分析測試更加精準。只有獲取足夠精準的測試分析數據，才能準確有效地判斷地下深部的物質行為和地質作用過程。通過礦物流體包裹體的物理化學指標測試能夠獲得地下深部地質作用和成礦時的溫度、壓力、鹽度和化學組分等信息，是了解地質作用和成礦機制、建立地質作用模型和成礦作用模式的重要基礎。

傳統(tǒng)的穩(wěn)定元素同位素是示蹤流體成因的重要手段。Zn、Mg、Mo、Tl、Cl、Ba、Se等非傳統(tǒng)穩(wěn)定元素同位素和Ce等放射性元素同位素的應用是近年來俯沖帶地球化學研究中重要的技術進展之一，它們可以（或有潛力）被應用于俯沖帶巖漿作用中流（熔）體作用過程的示蹤。但目前對島弧和弧后盆地火山巖中Zn、Mg、Ba、Ce等元素同位素的研究還不夠全面。因此，利用非傳統(tǒng)元素同位素方法系統(tǒng)研究島弧和弧后盆地火山巖將是未來俯沖帶地球化學過程示蹤研究中最有生命力的方向之一。應進一步強化和完善分析測試方法和技術，豐富弧?盆體系火山巖的非傳統(tǒng)元素同位素研究的數據基礎。

（4）發(fā)展數值模擬技術，建立俯沖帶流體地質作用的理論模型。數值模擬是將地球系統(tǒng)中物理和化學等理論使用數學公式表達，并通過計算機程序求解的一種研究手段。數值模擬不但是揭示地球內部運行機制和成因演化的重要手段，還是預測其未來發(fā)展的重要技術手段，是地球科學從描述轉向記錄的必由之路[168]。將俯沖帶中難以通過物理模擬的流體行為進行數值模擬，建立可靠的俯沖帶流體地質作用的數據庫和理論模型，提高模型的可信度并彌補現有模型的不足，將是今后俯沖帶流體地質作用研究的另一主要方向。

5 結語

“水”可以以流體、熔體、含水礦物、NAMs和DHMS的形式存在于地球的各個圈層中。在俯沖帶，流體對地震作用、地幔部分熔融、巖漿作用以及海底熱液活動等重大地質過程都有著重要的影響。俯沖帶是大量“水”（流體）進入地球深部的重要窗口。H2O和CO2是俯沖帶流體中最主要的組分，此外還有S、N2和鹵素等大量揮發(fā)性組分。按所含流體及元素（或離子）的多少，可將俯沖帶中的熔/流體分為含水熔體、富水熔體、富水流體和超臨界流體。其中，熔體相比于富水流體能夠攜帶更多的主、微量元素，超臨界流體具有極高的元素遷移能力。早期對俯沖帶流體的研究重點是根據預測的俯沖帶熱結構、俯沖板塊中含水礦物的穩(wěn)定性和最大含水能力，確定板塊中流體的釋放位置和釋放量。近年來，一些研究探討了流體釋放后的遷移形式和模式，為俯沖帶流體的研究提供了新的認識。然而，目前研究所得出的結論主要是基于地球物理探測、高溫高壓實驗和對地表火成巖的研究結果，尚缺乏直接的證據。

研究俯沖帶流體地質作用的地球化學示蹤方法主要包括微量（稀土）元素（比值）方法、放射性元素同位素方法和穩(wěn)定元素同位素方法。Mg、Ba、Zn、Tl、Mo、Cl和La-Ce等非傳統(tǒng)元素同位素的應用極大地豐富了俯沖帶巖漿作用中流體的示蹤研究。

有關現代海底熱液活動的理論模式目前尚在進一步的豐富完善之中，近十幾年主要進展是巖漿后期熱液注入概念的提出，解釋了許多新發(fā)現的事實。在巖漿后期熱液注入模式中，巖漿作用既能為下滲的海水提供熱源，使其萃取巖石中的金屬元素，又能通過巖漿后期熱液流體和揮發(fā)性組分的加入為熱液成礦作用提供直接的物源。

在今后一段時間內，有關俯沖背景下流體地質作用的研究應該強化以下4個方面：（1）進一步準確地定量評估通過板塊俯沖作用進入地球深部的“流體”通量，為最終解決全球地球化學或物質循環(huán)問題作出貢獻；（2）全面、準確地描述俯沖作用中流體的物理和化學行為，建立俯沖帶流體地質作用的理論模型；（3）充分利用現代化的測試分析手段，重點獲取礦物原位微區(qū)分析、礦物流體包裹體物理化學指標測試、穩(wěn)定和放射性元素同位素分析等方面的精細準確數據，用于查明當前取樣觀測手段無法觸及的地下深處物質狀態(tài)和作用過程；（4）發(fā)展數值模擬技術，建立俯沖帶流體地質作用的理論模型。