前弧岩浆中高度亲铁元素的分馏作用：地幔来源与岩浆分异的影响

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Fractionation of highly siderophile elements in forearc magmas: Influence of mantle source and magmatic differentiation

高 siderophile 元素（HSE）在 Yap 前弧玄武岩中的分布特征及其分馏机制研究。通过分析 cumulate 和 noncumulate 类型岩石的 HSE 含量及分馏模式，发现低 Pt 含量及 Cu/Pd 比值与硫不饱和条件下的岩浆演化相关，而高 PPGE/IPGE 比值则源于地幔合金的形成。高氧 fugacity 抑制硫化物结晶，导致 HSE 分馏机制不同于传统硫饱和模型。研究结果为俯冲带地幔过程和岩浆分馏机制提供了新证据。

　　在研究地球内部物质循环与地壳演化过程中，高度亲铁元素（HSE）因其对液态金属和硫化物的强烈亲和性而成为重要的研究对象。HSE主要包括铂族元素（PGE：锇、铱、钌、铑、铂和钯），以及铼和金。这些元素在地球早期分化和硅酸盐地幔的后续演化中扮演了关键角色。HSE在不同地质过程中的分布和行为不仅反映了地幔熔融、岩浆演化和硫化物分异等现象，还对理解板块构造系统中的物质迁移具有重要意义。

本研究聚焦于 Yap 前弧地区的辉长岩，分析其 HSE 含量与地球化学特征。这些岩石被分为积聚型和非积聚型两种类型，它们的 HSE 含量与与俯冲作用相关的玄武岩相似。值得注意的是，这些岩石表现出铂族元素（PGE）模式，其中钯-铂族元素（PPGE：铑、铂和钯）相对于铱-铂族元素（IPGE：锇、铱和钌）更为富集。然而，某些样品显示出异常低的铂含量，明显低于典型的俯冲作用玄武岩。这一现象提示我们，这些岩石中的铂可能在岩浆演化过程中经历了不同程度的分异或亏损。

Yap 积聚型辉长岩表现出较高的 IPGE 含量，而非积聚型辉长岩则显示出相似的 PPGE 含量。这表明 IPGE 可能通过矿物结晶过程被富集到积聚岩中，可能包括橄榄石、硫化物或合金等矿物。同时，Yap 岩石中非积聚型辉长岩显示出显著低的 Cu/Pd 比值，暗示其岩浆可能在演化过程中处于硫不足饱和状态，从而抑制了广泛的硫化物结晶。这一现象进一步支持了 HSE 的分异主要源于铂族合金的沉淀，而非硫化物的分离。

总体来看，Yap 岩石，特别是非积聚型辉长岩，表现出比其他俯冲作用玄武岩更低的 IPGE 含量，某些样品甚至显示出显著亏损的铂含量，导致极低的 Pt/Ir 和 Pt/Pd 比值。这一现象可能与地幔源中富含铂和 IPGE 的合金有关，这一点通过 Yap 前弧橄榄岩的 HSE 组成得到了验证。Yap 辉长岩与其他弧岩（如格伦达、Izu-Bonin 和东经弧）在 HSE 含量和比值上具有显著差异，它们的 Cu/Pd 比值较低，总 PGE 含量较高，PPGE/IPGE 比值也较高。这些特征被认为是由俯冲带中多种地质过程共同作用的结果。

高氧逸度条件增加了硫的溶解度，抑制了硫化物的饱和和结晶，这解释了为何这些岩石中 Cu/Pd 比值较低。同时，高程度的地幔熔融会消耗硫化物，并促进合金的形成，从而将 PGE 释放到熔体中，同时保留 IPGE 在残余物中，导致观测到的高 PGE 含量和分异的 PPGE/IPGE 比值。这一过程在不同的地质环境中可能表现出不同的特征，因此对于理解俯冲带中 HSE 的行为至关重要。

Yap 前弧地区的辉长岩研究具有特殊意义，因为这些侵入性岩石通常深埋于地壳中，只有在强烈的构造侵蚀作用下才能暴露。尽管海洋地壳仅占地球 PGE 总储量的不到 0.005%，但这些 PGE 大多集中在积聚区（Peucker-Ehrenbrink 等，2003, 2012）。因此，研究海洋地壳中的 HSE 分布对于理解俯冲带中的物质迁移机制具有重要意义。目前，大多数关于 HSE 在辉长岩中的研究主要集中在洋中脊（如 Prichard 等，1996, Blusztajn 等，2000, Miller 和 Cervantes，2002）和蛇绿岩（如 Prichard 和 Lord，1990, Dale 等，2009, Peucker-Ehrenbrink 等，2012）中的岩石，而对俯冲带中辉长岩的研究仍较为有限。

本研究通过分析 Yap 前弧地区的辉长岩，旨在探讨俯冲带中 HSE 的丰度和分异机制。Yap 前弧地幔被认为因多次熔融事件而高度亏损，并受到俯冲板块的化学影响（Chen 等，2019a, 2019b）。我们的研究重点包括：（1）检验 HSE 是否能从俯冲板块迁移至地幔楔，并在上覆地壳中检测到；（2）探讨岩浆演化过程中，特别是分异结晶作用，对 HSE 分异的影响；（3）评估高度亏损地幔（经历多次熔融事件）对岩浆中 HSE 含量的影响。我们的研究结果不仅为理解俯冲带中 HSE 的行为提供了新的视角，还扩展了海洋地壳中 HSE 的数据库，特别是对地壳中辉长岩部分的 HSE 含量有了更深入的认识。

Yap 前弧地区的地质背景为研究提供了重要的背景。Yap 深渊位于菲律宾海板块的南部，连接着北侧的马里亚纳深渊和南侧的帕劳深渊（图 1）。这些深渊共同构成了一个连续的弧形系统，定义了菲律宾海板块的东边界。Yap 深渊长约 700 公里，呈现出向东凸出的弧形形态，并达到最大水深 8,946 米（Fujiwara 等，2000）。作为一个典型的洋内俯冲带（Lee，2004），Yap 深渊的形成与板块相互作用密切相关，为研究 HSE 在俯冲带中的行为提供了理想的地质环境。

本研究使用的 Yap 辉长岩样品由中国的载人潜水器“蛟龙号”在 2017 年 DY125–38 航次中采集。这些样品的岩石学特征、元素数据和同位素数据已在之前的文献中有所报道（Chen 等，2024）。在本研究中，我们提供了 Yap 辉长岩的全岩 HSE 数据（表 1）。为了消除任何明显受蚀变的物质，首先去除了岩石表面的样品。然后，将样品在石英研钵中粉碎，以便进行进一步的分析。通过这些步骤，我们确保了数据的准确性和代表性。

研究结果表明，Yap 辉长岩根据其岩石学和地球化学特征被分为积聚型和非积聚型两种类型（表 1）。非积聚型辉长岩表现出细粒、等粒的结构，其中大多数矿物颗粒的尺寸小于 1 毫米。相比之下，积聚型辉长岩则表现出中等至粗粒的结构，矿物颗粒尺寸大多超过 1 毫米，并常显示出橄榄石的积聚现象（补充图 1）。值得注意的是，非积聚型辉长岩显示出显著低的 Cu/Pd 比值，这一现象进一步支持了岩浆可能处于硫不足饱和状态，并抑制了广泛的硫化物结晶。

Yap 积聚型辉长岩表现出较高的 MgO 和 CaO 含量，并具有显著的正 Eu 和 Sr 异常，表明其主要经历了斜长石和 clinopyroxene 的结晶作用（Chen 等，2024）。此外，积聚型辉长岩中的高 MgO 含量（最高达 14.06 wt%）突出了橄榄石的结晶，这在 Yap 岩石中表现为 Ni 与 MgO 的正相关关系（图 2）。整体来看，Yap 积聚型辉长岩的形成过程受到岩浆结晶和地幔源成分的控制，为理解 HSE 在俯冲带中的行为提供了关键线索。

通过分析这些岩石的 HSE 含量，我们发现其与俯冲作用相关的玄武岩具有相似的特征，但在某些方面表现出独特的模式。例如，Yap 岩石中的非积聚型辉长岩显示出极低的 Pt 含量，这与常见的俯冲作用玄武岩不同。这种现象可能与地幔源中富含 Pt 和 IPGE 的合金有关，从而导致 Pt 在岩浆中的流失。同时，Yap 岩石中的 Cu/Pd 比值较低，表明其岩浆可能在演化过程中经历了硫不足饱和状态，从而抑制了广泛的硫化物结晶。

这些发现对于理解 HSE 在俯冲带中的行为具有重要意义。HSE 的分异不仅受到其迁移能力的影响，还受到特定铂族矿物和合金稳定性的控制。例如，在高度亏损的地幔中，合金的形成可能有助于 IPGE 和 Pt 的相对富集，而其他 HSE 可能被保留于残余物中。这一现象在 Kamchatka 弧的详细研究中得到了支持，其中在亏损的地幔楔橄榄岩中发现了原生铂和 Pt-Fe-Cu 合金，以及多种 Cu-Ag-Au 合金，这些合金直接控制了 HSE 的分布（Kepezhinskas 等，2022）。

此外，Yap 前弧地区的辉长岩在 HSE 分异方面表现出与其他弧岩（如格伦达、Izu-Bonin 和东经弧）的差异。这些差异主要体现在 HSE 的含量和比值上，其中非积聚型辉长岩的 Cu/Pd 比值较低，而总 PGE 含量较高，PPGE/IPGE 比值也较高。这一现象可能与俯冲带中多种地质过程的综合作用有关，例如高氧逸度条件、高程度地幔熔融以及硫化物的分离和结晶。这些过程共同影响了 HSE 在岩浆中的分布和分异，为理解俯冲带中的地球化学行为提供了新的视角。

Yap 前弧地区的辉长岩不仅为研究提供了丰富的数据，还揭示了 HSE 在俯冲带中的行为模式。这些模式可能与俯冲带中特定的地球化学环境密切相关，例如高氧逸度、高硫溶解度以及多次熔融事件的影响。这些环境条件可能促进了 PGE 的释放和 IPGE 的保留，从而导致了观测到的 HSE 分异现象。通过进一步研究这些岩石的 HSE 含量，我们希望能够揭示俯冲带中 HSE 的行为机制，并为理解地球内部物质循环提供新的证据。

本研究的结果表明，Yap 前弧地区的辉长岩在 HSE 分异方面表现出独特的特征，这可能与地幔源中特定的合金和硫化物有关。这些合金和硫化物的形成可能受到俯冲带中多种地质过程的影响，例如高氧逸度、高硫溶解度以及地幔熔融程度。这些过程共同作用，导致了 HSE 在岩浆中的分布和分异，为理解俯冲带中的地球化学行为提供了新的视角。同时，这些发现也扩展了海洋地壳中 HSE 的数据库，特别是对地壳中辉长岩部分的 HSE 含量有了更深入的认识。

总体而言，Yap 前弧地区的辉长岩研究不仅有助于理解 HSE 在俯冲带中的行为，还为探讨地幔熔融、岩浆演化和硫化物分离等过程提供了新的证据。这些证据表明，HSE 的分异不仅受到其迁移能力的影响，还受到特定矿物和合金稳定性的控制。通过分析这些岩石的 HSE 含量，我们希望能够揭示俯冲带中 HSE 的行为机制，并为理解地球内部物质循环提供新的视角。此外，这些研究结果还为未来的地质勘探和资源评估提供了重要的参考依据。