赵仁杰，鄢全树

在全球俯冲带系统中，俯冲输入物质（即俯冲板片）主要由火成岩洋壳、下伏岩石圈地幔以及覆盖在俯冲洋壳上的海底沉积物组成。俯冲沉积物主要由陆源组分，生源组分（碳酸盐和硅酸盐）及结合水组成，其在俯冲带处壳幔相互作用和深部地幔地球化学过程中扮演了重要角色，同时对全球碳循环也产生深刻影响。因此，系统的揭示全球俯冲带不同背景下俯冲输入沉积物的类型和组分，为深入理解一些重要地球动力学过程提供基础性资料（赵仁杰等，2020）。

1  俯冲带类型和俯冲沉积物输入通量

全球汇聚板块边缘根据上覆板块剥蚀物质（前缘剥蚀及底部剥蚀）与增生物质（前缘增生和底侵增生）之间的平衡关系，可以划分为非增生边缘（剥蚀边缘）和增生边缘（Scholl and von Huene, 2009）。俯冲沉积物在以上两种俯冲样式下具有不同的作用形式：在增生边缘系统中，俯冲沉积物不会全部进入俯冲带，而是通过前缘增生作用形成大的增生楔（横剖面的宽度大于5 km），该楔形体通常形成大量叠瓦状逆冲断层构造，并伴随底侵增生作用（图1a），比如日本南海（Nankai）海槽处的俯冲带。相对照的是，在非增生边缘系统中，俯冲沉积物全部进入俯冲带，弧前形成小型棱柱体（图1b），同时，弧前楔形体可能经历剥蚀和结构坍塌形成前缘剥蚀，而上覆板块底部可能经历由水压致裂和磨蚀造成底部剥蚀，这些过程共同破坏大陆边缘（Straub et al., 2020）。如中美洲俯冲带地区由于俯冲造成的上覆板块大幅沉降。因此，Plank及合作者（1998, 2014）对两种不同俯冲带样式背景下的大洋钻探调查数据进行综合分析后，计算出全球俯冲沉积物输入速率为0.5~0.7 km³/y。

图1  两种俯冲带类型（赵仁杰等，2020）

2  全球俯冲沉积物的化学组分

自1968年开始实施深海钻探计划以来，大洋钻探计划已经在靠近海沟的俯冲带下盘获得了大量沉积物与基底岩石样品。Plank and Langmuir（1998）依据25个海沟前的大洋钻探调查数据，计算出全球俯冲沉积物的化学组分（global subducting sediment，GLOSS），并于2014年他们通过补充之前钻孔新获得的主微量及同位素数据，以及在新西兰与智利俯冲带完成的钻孔的调查数据（图2），重新计算出全球俯冲沉积物化学组分（GLOSS-Ⅱ），其结果显示：总体上来看，全球俯冲沉积物化学组分与上地壳相似；而其中由于海底热液作用导致Pb、Cu、Mn以及中-重稀土元素局部富集；生物组分（如磷灰石）的增加在导致中-重稀土富集的同时，也将引起Ca、P、Ba、Sr元素的局部富集；高场强元素、Th、U、Cr等元素的亏损则是由海洋过程（生物相沉积、自生相沉积与热液相沉积）对陆源组分的稀释造成的；此外，大量的陆源风化物质将造成碱金属元素Rb、Cs、Li相对于K元素的富集。最后，他们计算出全球俯冲沉积物主要由陆源物质（76%），钙质碳酸盐（7%）、蛋白石（10%）以及结合水（7%）组成。

图2  全球各海沟俯冲沉积物厚度及岩性柱状图（赵仁杰等，2020）

Vervoort等（2011）研究海洋沉积物时，区分出不同沉积环境的Lu-Hf和Sm–Nd同位素组分，计算出一条Nd-Hf同位素耦合关系的陆源趋势线（Terrestrial Array）：εHf=1.55εNd+1.20，全球俯冲沉积物大致沿该趋势线分布，其中Nd-Hf同位素的解耦主要是由Hf同位素变化造成。Hf同位素组分受风化程度影响较大，风化作用产生的粗粒径（粉砂和砂）碎屑物质包含低Lu/Hf比值的锆石，所以当俯冲沉积物来自风化程度高的源区，由于锆石效应，位于上述陆源趋势线的下方；当俯冲沉积物中富集陆源粘土和风尘物质时，位于该趋势线的上方。此外，造成俯冲沉积物中放射性Hf同位素富集的物质还有热液沉积物和自生沉积物，其主要受热液流体和海水中Hf同位素组（Vervoort et al., 2011）。俯冲沉积物中Pb同位素（²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb=38.1~39.8、²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb=15.5~15.8、²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb=18.5~19.5）和Sr同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.704-0.736）主要受陆源物质控制，当沉积物来自古老的大陆地壳时具有高的同位素比值，来自年轻的大陆时沉积物同位素比值较低（Plank, 2014）。同时Pb同位素还受到热液沉积物和自生沉积物的影响，热液沉积物的Pb同位素受来自下伏洋壳热液流体的影响，而自生沉积物中的Pb同位素主要受海水影响；影响沉积物中的Sr同位素组分的主要是生物相，其受海水Sr同位素影响，会稀释陆源物质。

因此，俯冲沉积物的化学组分与同位素特征主要与陆源物质有关，受源区风化程度影响最大。其次受海洋过程的影响，如热液沉积物、生物沉积物与自生沉积物会稀释陆源物质比例；同时早期沉积的物质会受到沉积后作用的影响，如成岩作用会使沉积物继承孔隙水（海水或热液流体）的特征；而热液蚀变作用也可以从沉积物中将元素淋滤出去，对沉积物组分产生影响。

3  全球俯冲沉积物对地球动力学机制的影响

在俯冲带系统中，俯冲板片在不同的俯冲深度会依次发生板片脱水作用、沉积物熔融，因此，它们以流体、熔体甚至超临界流体的形式影响着俯冲板片之上的浅层地幔及地壳内的岩浆作用等地质过程（图3a）。随着板片俯冲深度的增加，俯冲板片前缘会发生相变，形成密度更大的板片并发生断离，然后进入上地幔甚至穿透670 km界面到达下地幔或核幔边界（成为地幔柱的潜在源区？），从而对地球深部地幔的地球化学组成（地幔不均一性的形成）和地幔对流样式产生影响（图3b）。作为俯冲板片重要组成部分，俯冲沉积物独特的地球化学特征，可被利用来揭示许多重要地球动力学过程。

图3 俯冲带示意图（赵仁杰等，2020）

3.1  俯冲沉积物对浅层地幔和地壳过程的影响

俯冲过程的早期，俯冲沉积物由于压实作用，将在弧前区域释放出大量的孔隙流体，该流体将沿着弧前断裂/裂隙向上运移，并与围岩发生水岩反应，形成泥火山。随着俯冲深度的不断增加，俯冲沉积物在弧下可能发生部分熔融。俯冲沉积物熔融形成的熔体对岛弧火山岩组分产生重要影响的同时，该熔体组分也被有效的记录在岛弧火山岩组分中。目前针对岛弧火山岩的研究已经能够有效地辨别俯冲沉积物或下伏蚀变洋壳的熔流体信号。

3.2  俯冲沉积物对深部地幔的影响

大量的研究表明洋岛玄武岩的组分非常不均一，自20世纪80年代广大学者用板块构造理论来解释该现象，认为俯冲洋壳在俯冲过程中返回地幔形成地幔不均一性，并通过地表火山岩的研究提出地幔可能存在几个不同的地幔端元（DMM、EM1、EM2、HIMU）(Zindler and Hart, 1986)以及FOZO、C等。大量研究指出，地幔端元中富集端元（EM1、EM2、HIMU和FOZO）受到了俯冲沉积物的贡献（Castillo and Paterno, 2015）。例如：Jackson等（2007）认为南太平洋萨摩亚洋岛火山岩源区存在以沉积物形式俯冲再循环的陆源组分。Wang等（2018）对皮特凯恩洋岛火山岩的Mg同位素研究指出其地幔源区受古老循环沉积物（碳酸盐）影响。

俯冲沉积物除了对上述地幔对流模型中各经典地幔端元组分与板内岩浆作用具有明显贡献之外，在一些学者提出的上地幔组分统计学模型（Statistical Upper Mantle Assemblage，SUMA）中沉积物也扮演重要角色（Meibom and Anderson, 2003）。在该模型中，地幔处处是不均一的，小的包括俯冲沉积物在内的富集组分包体以不同尺度嵌入于普遍性的亏损橄榄岩地幔里，经过对流作用对板块内部和洋中脊区域的岩浆作用产生影响。

综上所述，在板块构造与地幔柱两大地球动力学系统以及相关地幔演化模型中，俯冲沉积物都扮演了重要角色。因此，加强对俯冲沉积物的研究将有利于进一步增强对地球固体圈层（壳幔）相互作用的认识。

本文第一作者系山东科技大学博士研究生，第二作者为自然资源部第一海洋研究所鄢全树研究员。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱zrj@fio.org.cn与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。

参考文献

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[10]     Zindler A, Hart S. 1986. Chemical Geodynamics [J]. Earth and Planetary Science Letters, 14 (1): 93-571.

[11]     赵仁杰, 鄢全树, 张海桃, 等. 2020. 全球俯冲沉积物组分及其地质意义[J].地球科学进展, 35(8): 789-803.