近日，国际地学权威期刊Chemical Geology在线发表了中国科学院海洋研究所张国良研究员与浙江大学李春峰教授团队关于西太平洋穆绍海沟岩石矿物学和地球化学的合作研究成果。成果揭示了穆绍海沟是沿大洋板块内部转换断层形成，阐明了短暂有限的板块俯冲并未引起持续稳定的俯冲和弧岩浆，以及变质橄榄岩记录了板片脱水和俯冲隧道过程。

大洋俯冲带是地球系统多圈层相互作用和物质交换的重要环节。西太平洋集中了全球70%以上的洋内俯冲带；然而，关于洋内俯冲带的形成过程和成因机制一直都存在重大争议。尤其是，西太平洋岛弧大多已经演化成熟，岛弧初始形成时的构造背景未完整保存。实际上，西太平洋也存在个别保存了初始俯冲状态的岛弧（如雅浦、穆绍海沟）。穆绍海沟位于卡洛琳板块东南边缘，但是海沟形成时的构造单元和俯冲带演化阶段并不明确，开展详细研究将对认识洋内俯冲带的形成和演化机制有重要贡献。

国家自然科学基金共享航次计划2019年度西太平洋多圈层相互作用板块俯冲起始机制科学考察实验研究（航次编号：NORC2020-581）首次对穆绍海沟系统进行了综合地球物理和岩石学采样，获得了第一手样品和数据。本次研究对穆绍海沟（海脊）获得的玄武岩和蛇纹岩化橄榄岩进行了详细的矿物学和地球化学研究。穆绍海沟（海脊）火山岩地球化学组成均表现为洋中脊型玄武岩（MORB）特征，与菲律宾海盆和卡洛琳海盆MORB非常一致，缺少明确与板块俯冲有关的地球化学特征。穆绍海沟玄武岩同位素组成也与太平洋MORB明显不同，与卡洛琳板块同属于印度洋型地幔源区，说明印度洋型地幔至少延伸到了卡洛琳板块东部边缘。穆绍海沟可能形成于卡洛琳板块内部的一个走滑断层或转换断层，同时，这也指示穆绍海沟并不存在稳定的板块俯冲，以及并未真正俯冲起始，从而很好的记录了俯冲起始前的地质过程。

图1 西太平洋穆绍海沟地质背景及采样位置图

穆绍海沟橄榄岩尖晶石Cr#均低于典型弧前橄榄岩，而在正常大洋岩石圈橄榄岩范围内，该研究认为这些橄榄岩属于上覆板块的岩石圈地幔，而不是弧下熔融残余的地幔楔。橄榄岩高度蛇纹岩化和塑性形变，其中角闪石的大量出现指示发生了高温变质作用。为了进一步揭示这些橄榄岩经历的变质过程，该研究对其中的角闪石（韭闪石等）进行了温压条件计算。结果显示这些角闪石形成于较高的温度（可达688°C）和较低的压力（7.3 kbar，或~25 km）条件下，进一步印证了板块俯冲深度较浅，从而未产生岛弧岩浆。温压条件计算结果约束了上盘板块年龄较小（<25 Ma），进一步指示了该俯冲带形成于较为年轻的两个板块之间。此类高温角闪石的形成需要高温流体的参与，研究认为，尽管穆绍海沟并未演化至弧岩浆阶段，卡洛琳板块在俯冲过程中却已经发生了高温脱水作用，俯冲板块流体交代了上覆岩石圈地幔。这些被流体交代后的地幔岩通过俯冲带隧道迁移至海沟底部，其弧前橄榄岩矿物学和地球化学很好的记录了俯冲起始前的板块脱水作用，并产生了俯冲隧道，水化后的塑性岩石圈橄榄岩沿早期隧道排出，可能是挤压条件下刚性板块俯冲的前提条件。

图2 穆绍海沟玄武岩和蛇纹岩化橄榄岩微量元素模式图

图3 穆绍海沟橄榄岩尖晶石组成

图4 穆绍海沟橄榄岩角闪石形成温度压力计算结果及与初始俯冲环境温压条件对比

图5. 穆绍海沟成因模式图。俯冲板块脱水交代上覆板块岩石圈地幔，并形成俯冲隧道。

俯冲带的成因和运行机制是认识地表与深部圈层物质交换的重要方面。本研究强调了穆绍海沟形成于板块内部的转换断层，并未演化至俯冲起始和弧岩浆阶段，且发现板块俯冲起始前可以形成俯冲流体交代并发育俯冲隧道，对探究地球系统各圈层间的物质交换机理提供了独特的视角，为回答西太重大研究计划“西太平洋板块俯冲与地球深部流固相互作用”这一关键科学问题提供了科学支撑。

以上研究是国家自然科学基金共享航次计划项目“共享航次计划2019年度西太平洋多圈层相互作用板块俯冲起始机制科学考察实验研究（NORC2020-581）”（项目批准号：41949581，项目负责人王凡研究员），以及西太重大研究计划重点支持项目“西太平洋板块俯冲体系岩浆过程中深部碳循环研究”（项目批准号：91858206，项目负责人张国良研究员）和“卡罗琳海板块实验：初始俯冲、初始扩张与流固耦合”（项目批准号：91858213，项目负责人李春峰教授）的重要成果。

论文信息：Zhang G.L.*, Yao J.H., Xu F., Wu T., Li C-F., Wang S., 2023. Origin of the Mussau Trench in the Western Pacific: Geochemical and mineralogical constraints from basalts and serpentinized peridotites. Chemical Geology. Doi.org/10.1016/j.chemgeo.2023.121798.