張宇蛟，翟世奎*

( 1.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100)

1 引言

沖繩海槽是因菲律賓海板塊俯沖于歐亞板塊之下，在陸殼上發(fā)育起來的一個(gè)初始的弧后盆地，是研究弧后擴(kuò)張作用早期盆地演化、巖漿作用和殼幔過程的天然實(shí)驗(yàn)室。通常以奄美大島以北的吐喀喇?dāng)嗔褞Ш蜎_繩島與宮古島之間的宮古斷裂帶為界將沖繩海槽分為北、中、南3段。海槽各段正分別經(jīng)歷著不同的構(gòu)造演化階段，地殼厚度從北段到南段逐漸減小，北段地殼性質(zhì)總體為陸殼，厚度約為30 km；中段為過渡性地殼，厚度在22～16 km之間；南段地殼最薄，厚約13 km。已有研究證明沖繩海槽南段出現(xiàn)了典型的洋殼[1–3]。海槽北段主要出露有酸性火山巖，推測源自島弧型的巖漿作用或是玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶分異的產(chǎn)物[4–5]，中段以玄武巖與酸性浮巖的雙峰式火山巖分布為主，南段已經(jīng)出現(xiàn)基性拉斑玄武巖?？傮w上看，沖繩海槽拉張程度從北段向南段逐漸增強(qiáng)[6–8]。沖繩海槽不同區(qū)段拉張程度的差異可能主要源自俯沖板塊的俯沖角度、俯沖速率和俯沖方向上的差異。琉球海溝以東的奄美?沖大東省等正地形的俯沖“阻礙”作用可能是導(dǎo)致沖繩海槽北段拉張程度較弱的重要因素之一，而沖繩海槽西南段的張裂應(yīng)該是我國臺(tái)灣島東側(cè)的弧?陸碰撞導(dǎo)致俯沖轉(zhuǎn)向的結(jié)果。

對(duì)沖繩海槽火山巖的巖石學(xué)及地球化學(xué)特征已有眾多研究，這些研究為沖繩海槽火山巖的巖石學(xué)特征、形成機(jī)理、巖漿來源及演化、巖漿房結(jié)構(gòu)等提出了很多重要見解[9–17]。對(duì)沖繩海槽巖漿源區(qū)地幔特征也已做了重要探討，例如馬維林等[18]認(rèn)為沖繩海槽中部巖漿源區(qū)地幔近過渡型，巖漿結(jié)晶分異程度較高，同化混染程度較弱；南部巖漿源區(qū)地幔近虧損或富集型，結(jié)晶分異程度較弱，同化混染較強(qiáng)。翟世奎和干曉群[19]提出海槽中部熱液區(qū)玄武巖源于沖繩海槽內(nèi)隆起的異常地幔。李巍然等[15]通過對(duì)沖繩海槽火山巖Rb-Sr同位素的研究認(rèn)為海槽的火山巖主要是由地幔成因的玄武質(zhì)巖漿經(jīng)歷不同程度的結(jié)晶分異作用和同化混染作用后在海底形成的。Shinjo[9]認(rèn)為沖繩海槽中部的玄武巖巖漿是富集型大洋中脊玄武巖（E-MORB）型地幔和板塊俯沖組分混合的結(jié)果。黃朋等[7]通過對(duì)沖繩海槽中段與北段的火山巖主、微量元素與Sr-Nd同位素的研究認(rèn)為沖繩海槽巖漿源區(qū)地幔特征類似流行地幔（PREMA）或虧損地幔（DM）。Hoang和Uto[20]則認(rèn)為沖繩海槽巖漿源區(qū)地幔具有II型富集地幔（EMII型）的特征，并且可能具有少量的I型富集地幔（EMI）組分。宗統(tǒng)等[21]通過對(duì)沖繩海槽中南部火山巖綜合分析認(rèn)為沖繩海槽及其所在的溝弧盆體系之下的地幔屬于“印度洋型”地幔，而印度洋型地幔具有EMI和EMII混合的特征[22]。Yan和Shi[23]對(duì)海槽不同類型的火山巖進(jìn)行了綜合分析后提出海槽南部巖漿源區(qū)是受到EMII改造的印度洋型地幔，中部巖漿源區(qū)由印度洋型地幔、EMI和EMII共同組成，而北部巖漿源區(qū)則受PREMA地幔和EMII共同影響。

上述研究工作奠定了沖繩海槽火山巖的研究基礎(chǔ)，但也揭示出一系列頗有爭議或亟待解決的科學(xué)問題，如：沖繩海槽酸性浮巖與基性玄武巖之間的成因聯(lián)系、沖繩海槽不同區(qū)段的構(gòu)造背景對(duì)巖漿作用的控制、沖繩海槽巖漿源區(qū)地幔的特征、俯沖板塊組分（流體+熔體）對(duì)地幔楔部分熔融的貢獻(xiàn)等。作者在系統(tǒng)收集和整理（剔除存疑數(shù)據(jù)）了迄今已有沖繩海槽火山巖主量元素、微量元素（包括稀土元素）與Sr-Nd-Pb同位素?cái)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)上述問題做了進(jìn)一步的分析探討。

本文首先對(duì)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了可靠性評(píng)估，剔除了無效數(shù)據(jù)。無效數(shù)據(jù)的判斷主要依據(jù)：（1）非沖繩海槽火山巖樣品數(shù)據(jù)，例如秦蘊(yùn)珊等[24]所報(bào)道的磨圓度很高、經(jīng)長途搬運(yùn)而來的火山巖樣品數(shù)據(jù)；（2）經(jīng)海底風(fēng)化蝕變的巖石樣品數(shù)據(jù)，如翟世奎[5]所描述的明顯經(jīng)歷了海底蝕變作用的樣品數(shù)據(jù)；（3）常量化學(xué)組分（13項(xiàng)）全分析總和誤差大于1%（101.00%<總和<99.00%）的樣品數(shù)據(jù)。本文成圖所用數(shù)據(jù)主要源自文獻(xiàn) [7–8, 11–12, 15, 19, 24–29]。

2 地質(zhì)背景

沖繩海槽位于西太平洋活動(dòng)大陸邊緣（圖1），北起日本九州，南至我國臺(tái)灣，長約1 200 km，寬100～150 km，是菲律賓海板塊沿著琉球海溝向歐亞板塊下俯沖所形成的弧后擴(kuò)張盆地[6–7]。俯沖的菲律賓海板塊部分在海槽中段軸部以下150～200 km處，在海槽南段軸部以下150 km處[21]。菲律賓海板塊的俯沖速度在沖繩海槽南段約為7 cm/a, 在中部約為5 cm/a[30]。海槽南部水深大，最大可達(dá)2 300 m以上；中段水深約2 000 m，向北逐漸變淺至約1 000 m；北端水深由1 000 m向北變淺至約200 m[2]。

圖1 沖繩海槽地形與火山巖樣品分布Fig.1 Okinawa Trough topography and volcanic rock-sampled locations

沖繩海槽具有極高的熱流值、強(qiáng)烈的火山活動(dòng)和大量發(fā)育的正斷層等弧后擴(kuò)張?zhí)卣鱗31]，同時(shí)具有強(qiáng)重力異常與弱負(fù)地磁異常的特征，這些特征揭示了沖繩海槽存在基底凹陷、上地幔隆起等的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象[26]。巖石學(xué)、同位素年代學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等方面的研究顯示沖繩海槽的形成和演化可分為3個(gè)主要階段：晚中新世的抬升剝蝕、上新世拉張裂陷和第四紀(jì)以來的海底擴(kuò)張[32]?；跇?gòu)造活動(dòng)和地幔密度異常，李乃勝等[33]和周祖翼等[34]提出沖繩海槽已經(jīng)到了成熟的大陸裂谷時(shí)期，并且可能已經(jīng)開始了弧后擴(kuò)張。梁瑞才等[35]和Gao等[36]相信洋殼已經(jīng)沿著中央裂谷發(fā)育。而根據(jù)重力異常，沖繩海槽北西向的斷層被認(rèn)為是轉(zhuǎn)換斷層[37–38]。

沖繩海槽的火山活動(dòng)主要沿著中央裂谷分布，并且在沖繩海槽不同位置的火山巖有著各自不同的巖石地球化學(xué)特征。流紋質(zhì)的酸性巖是沖繩海槽北段的主要火山巖類型，但是在沖繩海槽的中段和南段，巖石的分布模式為玄武巖與流紋巖的雙峰式分布[26]。Hoang和Uto[20]認(rèn)為沖繩海槽巖漿的地幔源區(qū)具有正常洋中脊玄武巖（N-MORB）巖漿特征。此外，陸殼成分與俯沖組分也起到了重要作用[4]。

3 常量元素（組分）

在全堿?硅火山巖分類命名圖(圖2a)上，沖繩海槽火山巖涵蓋了玄武巖、玄武安山巖、安山巖、英安巖和流紋巖5種，顯示出完整的從基性巖到酸性巖的火山巖系列。海槽北段火山巖樣品較少，以中、酸性巖為主；中段巖石樣品主要分布于海槽的中軸部，呈現(xiàn)明顯的基性巖與酸性巖的雙峰式分布（圖1）；海槽南段火山巖主要分布在中央地塹，巖石偏基性，以玄武巖為主。在圖2a中，沖繩海槽所有火山巖樣品均投點(diǎn)于堿性巖與亞堿性巖的分界線（Ir）之下，顯示出亞堿性巖石系列特征。在AFM判別圖(圖2b)上，沖繩海槽火山巖既有拉斑玄武巖系列，又有鈣堿性巖系列，其中大部分樣品都分布在拉斑玄武巖（T）與鈣堿性巖石（C）的分界線（CA）附近，酸性巖主要投在鈣堿性巖區(qū)，玄武巖主要分布在拉斑玄武巖區(qū)。在SiO2-K2O圖(圖2c)上，絕大部分火山巖樣品都分布在中鉀系列巖石區(qū)，并且隨著SiO2含量的增高鉀的含量近似線性增加。以上特征一方面說明沖繩海槽的所有火山巖（酸、中、基性巖）都屬于亞堿性系列，另一方面說明從以拉斑玄武系列巖石為主的玄武巖到具有鈣堿性系列巖石特征的酸性巖應(yīng)該是巖漿作用經(jīng)歷了結(jié)晶分異作用的體現(xiàn)（SiO2含量連續(xù)遞增），期間并可能有地殼物質(zhì)的混染（造成堿性組分增加），這種結(jié)晶分異作用應(yīng)該主要發(fā)生在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的巖漿房環(huán)境中[16]。

圖2 沖繩海槽火山巖的常量化學(xué)組分圖解Fig.2 Diagrams of main chemical components of volcanic rocks from the Okinawa Trough

在SiO2與其他主要氧化物的關(guān)系圖(圖3)上，SiO2與MgO、FeO*、CaO、Al2O3成明顯負(fù)相關(guān)，而與K2O（圖2c）和Na2O成正相關(guān)，這表明在巖漿的演化過程中出現(xiàn)了橄欖石、輝石、磁鐵礦和斜長石等富Fe、Mg和Ca礦物的結(jié)晶分異（離）作用。類似的關(guān)系也存在于各常量組分氧化物與分異指數(shù)（Di）之間，同樣說明Di<10的基性玄武巖和Di>80的酸性浮巖之間繼承關(guān)系，基性玄武巖是巖漿開始結(jié)晶尚未發(fā)生明顯分異作用的產(chǎn)物，而酸性浮巖是巖漿經(jīng)充分結(jié)晶分異演化后的產(chǎn)物。

4 微量（包括稀土）元素

沖繩海槽火山巖的微量（包括稀土）元素分布如圖4所示?？傮w看，海槽北、中、南段火山巖的微量元素分布模式相似，均呈強(qiáng)不相容元素相對(duì)富集的右傾式，玄武巖與浮巖的分配模式略有不同。與玄武巖相比，酸性浮巖具有明顯的Nb、Ta、Sr和Eu負(fù)異常。兩種巖石都富含大離子親石元素（Rb、Ba、Th、U、Pb等）和虧損高場強(qiáng)元素（如Nb和Ta等），但強(qiáng)不相容元素在浮巖中更為富集。沖繩海槽北、中、南段火山巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素（REE）分布模式大體相似，均為富集輕稀土（LREE）的右傾型。基性玄武巖的（La/Yb）N值在沖繩海槽北部、中部、南部分別為 1.75～1.9、1.53～3.02、1.11～3.07。酸性浮巖的（La/Yb）N值在沖繩海槽北部、中部、南部分別為3.2～8.14、3.12～7.14、3.70～12.61。相對(duì)于基性玄武巖，酸性浮巖中稀土元素總量（∑REE）和LREE富集程度更高，Eu負(fù)異常更加明顯。以上特征再次表明沖繩海槽的基性玄武巖和酸性浮巖具有巖漿同源性，巖漿經(jīng)歷了明顯的結(jié)晶分異作用，而且浮巖巖漿的結(jié)晶演化程度要相對(duì)高得多。

5 沖繩海槽火山巖的Sr-Nd-Pb同位素特征

巖石的 Dupal異常也被稱為南半球異常和特提斯同位素異常，即在具有相同206Pb/204Pb的前提下，Dupal異常具有更高的208Pb/204Pb、207Pb/204Pb、87Sr/86Sr比值和較低的143Nd/144Nd比值。Hart[40]提出了北半球標(biāo)準(zhǔn)線（NHRL：根據(jù)北半球洋中脊正常型玄武巖的Pb同位素組成所建立的北半球208Pb/204Pb、207Pb/204Pb與206Pb/204Pb之間的回歸線方程，反映了北半球上地幔的Pb同位素特征演化趨勢(shì)）的概念，用以表述N-MORB的放射性同位素特征，用樣品偏離北半球標(biāo)準(zhǔn)線（NHRL）的程度（Δ7/4>3、Δ8/4>10、ΔSr>40）來作為Dupal異常的判別指標(biāo)。之后，Hart[41]又將Dupal異常判別指標(biāo)修改為Δ8/4>60、ΔSr>50，指標(biāo)計(jì)算公式如下：

如圖5所示，沖繩海槽玄武巖的Pb同位素組成均投點(diǎn)在NHRL之上（圖5a， 圖5b），顯示出放射性成因Pb同位素富集的特征，其分布區(qū)間明顯具有PREMA與EMII混合的趨勢(shì)。在不考慮其他因素的理想情況下，沖繩海槽巖漿源區(qū)地幔應(yīng)為PREMA型地幔，上述Pb同位素組成特征表明沖繩海槽巖漿源區(qū)地幔由于受到某種物質(zhì)混入的影響，而具有一定的EMII型地幔端元特征。海槽中段和南段玄武巖樣品的Δ7/4值較高，均在5以上，最高值為18.45；而北段樣品Δ7/4值變化范圍相對(duì)較大，在?2～16之間。僅就Δ7/4值判據(jù)而言，海槽南段和中段玄武巖絕大多數(shù)樣品都具有Dupal異常。沖繩海槽所有玄武巖樣品的Δ8/4值都在 28～95之間，ΔSr值在35～88之間，亦說明大部分樣品都不同程度地具有Dupal異常（Δ8/4>60，ΔSr>50)。在143Nd/144Nd?87Sr/86Sr和87Sr/86Sr?206Pb/204Pb 判別圖(圖5c，圖5d）上，沖繩海槽玄武巖樣品均投在PREMA與EMII地幔端元的混合區(qū)域，顯示出明顯的兩端元地幔的混合性質(zhì)。海槽北段玄武巖中的ΔSr值集中在35～62之間，變化范圍最小；中段玄武巖中ΔSr值在38～88之間，變化區(qū)間最大；南段玄武巖中ΔSr值在36～71之間，變化范圍居中。據(jù)以上Sr-Nd-Pb同位素組成特征判斷，沖繩海槽巖漿源區(qū)地幔具有不同程度的EMII型Dupal異常的特征，玄武質(zhì)巖漿應(yīng)該源于PREMA和EMII兩個(gè)地幔端元的混合物。

圖3 沖繩海槽火山巖SiO2與各主要氧化物的關(guān)系Fig.3 Relationships between SiO2 and major element oxides in volcanic rocks from the Okinawa Trough

圖4 沖繩海槽火山巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖（a，c，e）和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素模式圖（b，d，f）（原始地幔和球粒隕石數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[39]）Fig.4 Trace element of volcanic rocks from the Okinawa Trough (a, c, e) and REE distribution patterns from the Okinawa Trough (b, d, f)(primitive mantle and chondrite data quoted from reference [39])

圖5 沖繩海槽中、南段玄武巖的Sr-Nd-Pd同位素圖解Fig.5 Sr-Nd-Pd diagrams of basaltic rock in the middle section of Okinawa Trough and south section of Okinawa Trough

6 討論

6.1 構(gòu)造環(huán)境

根據(jù)王舒畋和梁壽生[42]的研究，沖繩海槽的發(fā)展演化主要經(jīng)歷了3個(gè)階段的擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，Sibuet等[1]，梁瑞才等[3]和Pearce等[43]則認(rèn)為在沖繩海槽局部已有洋殼形成。在中新世末（距今5.3 Ma）, 沖繩海槽大致沿NNE?NE方向發(fā)生張裂, 使琉球島弧與東海陸架邊緣裂離，形成狹長的半地塹型斷陷盆地, 拉張方向?yàn)镹W?SE向, 拉張作用僅限于26°N以北的海槽區(qū)；自上新世以來, 伴隨北呂宋島弧在臺(tái)灣東部發(fā)生的弧陸碰撞作用, 西菲律賓海板塊的西緣在臺(tái)灣以東發(fā)生旋轉(zhuǎn)并向北俯沖于歐亞板塊之下, 使沖繩海槽的拉張方向由先前的NW?SE向逐漸轉(zhuǎn)成近南北向，形成了一系列的NEE至近E?W向的斷裂構(gòu)造；在晚更新世–全新世時(shí), 沖繩海槽進(jìn)入了第二次近N?S向拉張階段，拉張作用從海槽南段開始, 向北延伸至中段；隨著沖繩海槽軸部地殼的進(jìn)一步減薄和張裂, 在海槽軸部形成了數(shù)段 NEE 向中央裂谷帶, 呈雁行排列。 在南段和中段可能已發(fā)生海底擴(kuò)張作用, 并在局部生成了新洋殼（出現(xiàn)具有洋殼性質(zhì)的拉斑玄武巖）。

沖繩海槽的火山巖主要是基性玄武巖與酸性浮巖。陳麗蓉等[25]與黃朋等[7]分別通過對(duì)沖繩海槽火山巖的Rb-Sr-O與Sr-Nd同位素組成特征的研究，認(rèn)為海槽區(qū)火山巖的原始巖漿物質(zhì)來源于地幔。Th、Ta和Hf是一組高場強(qiáng)元素，地球化學(xué)性質(zhì)相近且在巖漿的結(jié)晶演化過程中均表現(xiàn)出不相容性。因此，這些元素之間的比值關(guān)系可以用來指示地球深部巖漿源區(qū)的性質(zhì)和巖漿作用的過程。如圖6所示，沖繩海槽北段和中段火山巖樣品在Ta/Hf?Th/Hf構(gòu)造環(huán)境判別圖上均投在IV3、IV2和V區(qū)，即表現(xiàn)出大陸拉張帶（或初始裂谷）玄武巖與陸內(nèi)裂谷堿性玄武巖的性質(zhì)，兩個(gè)區(qū)段的玄武巖之間沒有明顯的區(qū)別。相比之下，海槽南段的玄武巖樣品則全部落于IV3區(qū)，表現(xiàn)出初始裂谷構(gòu)造環(huán)境，缺乏陸內(nèi)裂谷堿性玄武巖的特征。因此，就構(gòu)造環(huán)境而言，海槽北段與中段相似，目前仍處于大陸裂谷或陸殼張裂階段，而海槽南段已經(jīng)初步脫離了陸殼影響，開始轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)較為成熟的弧后盆地，這應(yīng)該是沖繩海槽自晚更新世開始進(jìn)入了第二次近N?S向拉張作用的巖石學(xué)體現(xiàn)。

圖6 沖繩海槽火山巖大地構(gòu)造環(huán)境的Ta/Hf?Ta/Hf判別圖Fig.6 Ta/Hf?Ta/Hf discriminant diagram of tectonic environments of volcanic rocks from the Okinawa Trough

6.2 巖漿演化

前已述及，沖繩海槽的基性巖石是巖漿開始結(jié)晶尚未發(fā)生明顯分異作用的產(chǎn)物，而酸性巖石則是巖漿經(jīng)充分結(jié)晶分異演化后的產(chǎn)物。在俯沖帶環(huán)境中，可以進(jìn)入弧后地幔楔中的俯沖組分主要是呈熔體/溶體態(tài)的易熔/溶成分，其中富含俯沖遷移元素（如Rb、Ba、Sr、K、Th、U、LREE、Pb等），而相對(duì)虧損俯沖非遷移（或保守）元素（如 Nb、Ta、Zr、Hf等）。因此，通常選用保守元素含量（或比值）之間的關(guān)系來探討巖漿源區(qū)地幔的性質(zhì)[44–45]。為了進(jìn)一步探究沖繩海槽不同種類火山巖之間的親緣關(guān)系，可以借用Nb/Yb?Nb相關(guān)圖加以判斷。由于Nb的不相容性比Yb高得多，地幔不同程度熔融產(chǎn)生的熔體在Nb/Yb?Nb判別圖上將形成一條直線。如圖7所示，沖繩海槽北、中、南段所有的火山巖樣品在Nb/Yb?Nb判別圖上形成了一條擬合度較好的直線，這說明雖然沖繩海槽火山巖樣品分布的區(qū)域不同、種類不同，但其形成的巖漿具有相同或相似的源區(qū)，亦即是說沖繩海槽北、中、南段的下伏地幔性質(zhì)較均一，所分布巖石種類上的差異應(yīng)該是巖漿所經(jīng)歷演化過程上的差異所致。已有研究[11,27]表明，酸性浮巖中斑晶礦物的87Sr/86Sr比值約為0.704 5，而玄武巖樣品的87Sr/86Sr比值也在0.704 2左右，進(jìn)一步證明了二者的同源性。另外，海槽南部火山巖中Nb含量及Nb/Yb比值變化范圍都相對(duì)海槽中部和南部火山巖大得多，說明沖繩海槽南部在地幔物質(zhì)熔融產(chǎn)生巖漿及此后的巖漿演化過程都可能更為復(fù)雜。

圖7 沖繩海槽火山巖Nb?Nb/Yb判別圖Fig.7 Nb?Nb/Yb diagram of volcanic rocks from the Okinawa Trough

如圖4所示，沖繩海槽所有火山巖的微量元素蛛網(wǎng)圖和REE分布模式都表現(xiàn)出相似的特征，說明沖繩海槽基性的玄武巖和酸性浮巖具有巖漿同源性，而且二者之間存在有結(jié)晶演化遞進(jìn)關(guān)系，也就是說酸性浮巖巖漿應(yīng)該是基性玄武質(zhì)巖漿結(jié)晶分異作用的產(chǎn)物。無論是在基性玄武巖中，還是在酸性浮巖中都含有豐富的斜長石斑晶，并且在SiO2含量高達(dá)70%左右的浮巖中有巖漿噴發(fā)過程中裹挾上來的基性斜長石（最大An值為89%），這些事實(shí)都毫無疑問地證明在巖漿的演化過程中發(fā)生了斜長石的結(jié)晶分異作用。微量元素Sr和稀土元素Eu的明顯虧損亦說明在斜長石的分離結(jié)晶過程中，Sr和Eu置換斜長石中的Ca進(jìn)入斜長石晶格中而部分地被帶出巖漿。

地殼物質(zhì)混染通常會(huì)導(dǎo)致巖石富集大離子親石元素與輕稀土元素，并伴隨著Nb、Ta負(fù)異常與Zr、Hf正異常[45]。地殼有著較高的Th/Ce比值（約0.15）與Th/La比值（約0.30），而源于地幔的原始巖漿的Th/Ce和Th/La比值僅分別為0.02～0.05和0.12[46]。因此，地殼物質(zhì)混染通常會(huì)導(dǎo)致火山巖的Th/Ce與Th/La比值升高。沖繩海槽酸性浮巖中具有明顯的Zr和Hf正異常（圖4），其 Th/Ce與 Th/La比值（Th/Ce=0.08～0.30、Th/La=0.16～0.55）源于地幔的原始巖漿的比值，這表明在巖漿上升噴出海底形成浮巖的過程中曾遭受了地殼物質(zhì)的混染?；孕鋷r樣品的Th/Ce比值（0.037～0.063）和 Th/La比值（0.09～0.14）都普遍較低，接近源于地幔的原始巖漿的比值，表明其巖漿沒有或很少經(jīng)歷地殼物質(zhì)混入作用。

6.3 Dupal異常及其可能的成因

沖繩海槽火山巖中的Pb和Sr同位素組成特征表明巖漿具有PREMA地幔端元與EMII型地幔端元混合的特征。EMII型地幔端元具有較高的放射性成因Sr和Pb同位素成分，其特征與陸源沉積物相似，通常被認(rèn)為是俯沖和再循環(huán)的大陸物質(zhì)與地幔發(fā)生混合作用的產(chǎn)物。沖繩海槽是由菲律賓海板塊向歐亞板塊下俯沖所形成的年輕的弧后盆地，西菲律賓海板塊的俯沖導(dǎo)致蝕變洋殼與大量沉積物被帶入仰沖的歐亞板塊之下。俯沖板塊（物質(zhì)）在一定的深度因溫度的升高而發(fā)生脫水去氣（揮發(fā)性組分）作用產(chǎn)生流體，甚至部分物質(zhì)熔融而產(chǎn)生熔體，這些熔體/流體同地幔物質(zhì)發(fā)生混合反應(yīng)，一是降低地幔物質(zhì)的熔點(diǎn)，產(chǎn)生更多的巖漿，二是改變了地幔、特別是熔體的化學(xué)成分。因此，沖繩海槽的地下地幔具有生成EMII型地幔端元的構(gòu)造環(huán)境條件。

大離子親石元素（如 Cs、Rb、Ba、K、Sr、Pb等）主要在流體相中遷移，而高場強(qiáng)元素（如Th、U、Ce、Zr、Hf、Ti、Nb、Ta等）因其不易進(jìn)入結(jié)晶相而主要在熔體相中遷移，其地球化學(xué)特征（如含量與元素間比值等）不會(huì)因結(jié)晶分異作用而發(fā)生明顯的改變。另外，這些元素通常在沉積物中含量較高[46–47]，沉積物組分（熔體或流體）的混入將明顯改變巖漿的地球化學(xué)性質(zhì)。因此，如果俯沖帶源自地幔的巖漿巖中具有較高的Th/Nb比值，則說明巖漿可能受到了源自俯沖板塊的熔體或沉積物的影響[46]。如果巖漿同時(shí)受到源自俯沖板塊流體的混入，則巖漿巖通常具有較高的Ba/Th比值[47]。類似的指標(biāo)還有高的Ba/La比值指示巖漿可能受到流體的改造，而較高Th/Yb比值則反映巖漿可能受到俯沖板塊熔體或沉積物混入的影響。沖繩海槽火山巖中的Th/Nb比值高（最大值 1.96）而且變化范圍大（0.61～1.96），但Ba/Th比值較低（圖8a），這些特征表明沖繩海槽巖漿源區(qū)受到了源自俯沖板塊沉積物組分不同程度混入的影響（圖8a）。同樣，由圖8b可以看出，海槽火山巖中具有較高的Th/Yb比值（0.43～1.18）與較低的Ba/La比值（13.1～38.6），進(jìn)一步證明俯沖沉積物混入巖漿熔體的過程。通常情況下，古老地殼和沉積物中含有更高比例的放射性成因核素，這些物質(zhì)混入巖漿熔體會(huì)導(dǎo)致巖漿巖中具有明顯的Dupal異常或EMII型地幔端元的特征。Guo等[48]根據(jù)沖繩海槽火山巖的Sr-Nd-Pb-Li同位素特征，論證了俯沖物質(zhì)及地殼物質(zhì)對(duì)巖漿作用的影響，認(rèn)為沖繩海槽之下地幔已經(jīng)受到了俯沖組分的影響，原始巖漿中混入了俯沖的蝕變洋殼和沉積物組分，其比例是 96∶4（%）。

圖8 沖繩海槽火山巖微量元素判別圖Fig.8 Trace element discriminant diagrams of volcanic rock from the Okinawa Trough

綜上所述，俯沖組分（蝕變洋殼和沉積物組分）進(jìn)入沖繩海槽地下地幔楔并混入巖漿中是導(dǎo)致沖繩海槽火山巖具有Dupal異?；駿MII型地幔端元特征的主要原因。

根據(jù)對(duì)沖繩海槽玄武巖的Sr、Nd同位素組成所做的二元混合模擬計(jì)算（圖9）表明，沖繩海槽的玄武巖巖漿主要源于PREMA型地幔端元，占比在60%～92%之間，平均值在85%左右，EMII型地幔端元貢獻(xiàn)率在15%左右。

7 結(jié)論

（1）在沖繩海槽廣泛分布的酸性浮巖與基性玄武巖巖漿具有同源性，前者是后者進(jìn)一步結(jié)晶分異作用的產(chǎn)物，酸性浮巖巖漿在噴出海底之前經(jīng)歷了不同程度的地殼物質(zhì)混染。

（2）在沖繩海槽北段與中段主要分布有酸性浮巖和中性安山巖，應(yīng)該是兩區(qū)域目前正處于裂谷階段的反映，而南段廣泛分布的基性玄武巖說明在構(gòu)造性質(zhì)上已接近成熟性弧后盆地。

圖9 沖繩海槽玄武巖143Nd/144Nd?87Sr/86Sr圖解Fig.9 143Nd/144Nd?87Sr/86Sr diagrams of the Okinawa Trough basalts

（3）總體上看，沖繩海槽火山巖巖漿源區(qū)具有EMII型Dupal異常特征，巖漿源于PREMA和EMII型地幔端元混合的源區(qū)地幔，其中EMII約占比15%，PREMA貢獻(xiàn)率在85%左右。

（4）源于俯沖的菲律賓海板塊（俯沖的蝕變洋殼或沉積物）的流/熔體的加入是導(dǎo)致沖繩海槽下伏地幔具有EMII型特征的原因，這一點(diǎn)不同于Dupal異常源于殼幔相互作用的觀點(diǎn)。