海院科研动态（164）| 研究揭示西太平洋地幔化学组成类型、时空分布和深部水循环
近日，中山大学海洋科学学院张国良教授团队在国际知名期刊 《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》上发表重要研究成果，系统揭示了西太平洋边缘海盆下方地幔的化学组成类型、时空分布规律及其与深部水循环的关系。
研究背景
西太平洋新生代以来发育了多个边缘扩张海盆，这些海盆多以俯冲带为界与太平洋板块隔开（图1）。以往来自这些海盆火山岩的零星地球化学数据显示，其下部地幔同位素组成与太平洋板块明显不同，却与印度洋地幔（Dupal型）类似。由于长期板块俯冲的存在，这些边缘海盆地幔组成（同位素、水含量等）是否受到俯冲板块广泛影响，以及是否延伸到俯冲带（伊豆小笠原-马里亚纳等）以东的太平洋，这些问题都不清楚。另外，西太平洋主要海盆最初形成于赤道中太平洋海区，是否受地幔柱组分影响也需要深入研究。系统剖析海盆玄武岩地球化学特征，是厘清西太平洋地幔属性、空间分布与深部物质循环的核心途径。
图1 西太平洋边缘海盆分布特征和本研究采样情况
实际上，菲律宾海盆与卡洛琳海盆之间、卡洛琳海盆与太平洋板块之间均不存在俯冲带。这需要通过结合海盆火山岩与板块构造位置恢复结果，认识异常地幔的空间分布和成因。然而，以往这些海盆（尤其是作为桥接的卡洛琳板块）样品十分匮乏。中山大学海洋科学学院张国良教授主导研究，对在西菲律宾海盆（WPSP）、帕里西维拉海盆（PVB）、卡洛琳海盆（Sorol海槽、Mussau海脊、Lyra海槽）、马里亚纳弧前（FAB）等地获取的大量玄武岩样品进行了主微量元素（包括H2O）、Sr-Nd-Pb-Hf同位素及Ar-Ar年代学分析，并结合该海区已发表的资料，开展了地幔分布和成因相关研究。
研究结果
研究发现，这些海盆玄武岩均具有洋中脊玄武岩（MORB）特征的微量元素组成（未见俯冲流体影响），可分为两组：帕里西维拉海盆和Ayu海槽玄武岩具有正常TiO2含量和Ti/V比值（图2），相对亏损的Sr-Nd同位素和较低的Pb同位素（206Pb/204Pb）比值（图3），与MORB相似较低的H2O/Ce比值（136-186）（图4），可以定义为地幔域I；西菲律宾海盆、卡洛琳海盆（Sorol海槽、Mussau海脊、Lyra海槽）、马里亚纳弧前玄武岩（FAB）具有异常低的TiO2含量和Ti/V比值，相对富集的Sr-Nd同位素和较高的Pb同位素比值（图3），明显较高的H2O/Ce比值（283-464）（图4），可以定义为地幔域II。
图2 西太边缘海盆玄武岩TiO2组成和TiO2-V关系
图3 西太海盆玄武岩同位素组成和地幔域划分
图4 西太主要边缘海盆代表性玄武岩水含量组成特征
地幔域I代表几乎不受俯冲带（距离俯冲带>500km）影响的现代西太平洋上地幔组成，其类似正常MORB的较低水含量说明俯冲流体影响可忽略不计。关于地幔域II的空间分布，该研究恢复了50Ma以来的板块位置（图5），结果发现西菲律宾海盆（包括IBM初始岛弧）和卡洛琳海盆均形成于赤道西太平洋同一位置（Ontong Java高原附近），位于太平洋大型剪切波速异常区内（LLSVP）。地幔域I和II在水平空间上的边界大致位于卡洛琳板块东部，与LLSVP西边界大致吻合。一方面，这说明低Ti/V比的IBM岛弧弧前玄武岩（FAB）代表了与西菲律宾海盆、卡洛琳海盆玄武岩相似/相同的地幔组成，这种特征并不像是岛弧起始俯冲过程产生，因此，弧前玄武岩（FAB）低Ti/V特征不具备鉴别岛弧起始俯冲的普遍意义。另一方面，也证明了地幔域II代表的Dupal异常延伸到了现代太平洋板块之下。由于太平洋LLSVP区域可能代表了下地幔上涌带来的物质，且一些大型洋底高原都被认为形成于该区域。假说认为，LLSVP区域形成多个巨大洋底高原后，仍有大量未熔融的下地幔物质滞留于上地幔深部或地幔过渡带（MTZ），这使得海盆扩张期玄武岩可能受控于来自下地幔的滞留物质。
图5 西太边缘海盆构造位置恢复及深部物质来源模型
为了检验这个假说，该研究系统对比了地幔域II玄武岩与太平洋洋底高原玄武岩组成。结果显示，地幔域II玄武岩与洋底高原玄武岩无论在主量元素组成、同位素组成和富水特征上，均表现为十分相似的特征。实际上，近年来越来越多的研究也显示，地幔柱通常带有大量来自下地幔的超亏损物质。模拟结果显示，地幔柱带到上地幔的滞留物质仍然可以在扩张背景下形成玄武质岩浆。由此可见，西菲律宾海盆、卡洛琳海盆、IBM弧前玄武岩都可能是LLSVP区域滞留亏损地幔物质熔融的结果，这些海盆玄武岩的富水特征并不是新生代以来西太平洋板块俯冲影响的结果。相比之下，地幔域I（如，帕里西维拉海盆）可能反映了现代西太平洋边缘海盆下部的地幔组成和低含水量特征（图6）。尽管层析成像结果显示这里地幔过渡带（一般认为富水）存在广泛滞留俯冲板片，但并没有对上部地幔含水量产生广泛影响。
图6 西太平洋上地幔和地幔过渡带滞留板片结构和含水特征简图
以上研究主要认识，如下：
（1）根据海底玄武岩地球化学和含水组成，西太平洋边缘海盆存在两种不同的地幔域（I和II）；
（2）马里亚纳弧前玄武岩（FAB）的低Ti/V比特征反映了地幔域II的源区特征，而不是初始俯冲过程的结果；
（3）地幔域II延伸到太平洋LLSVP区域，可能代表了来自下地幔的上涌滞留物质；
（4）现代西太平洋海盆之下的上地幔物质未受到俯冲板片或富水地幔过渡带的广泛影响。
文章相关信息
该成果发表在美国地球物理学会刊物《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》，中山大学海洋科学学院张国良教授为本文第一和通讯作者。本研究受国家重点研发计划（2024YFF0807400）以及国家自然科学基金（42541604）等项目资助。
论文信息：
Zhang, G.‐L., Chi, H.‐T., Zhang, J., & Xu, F. (2026). Geochemical constraints on spatial‐temporal distribution and origin of anomalous mantle in the western pacific basins. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 27, e2025GC012694.
原文链接: https://doi.org/10.1029/2025GC012694
