板块俯冲是地球内外物质循环的重要驱动力，它将洋壳、沉积物和地表水带入地球深处。然而，初始俯冲阶段的地幔楔究竟经历了什么，科学家长期以来难以获得相关的直接记录和证据。这是由于大多数俯冲带已经演化了数千万年以上，早期地质记录多被后期构造和岩浆活动掩盖。西南马里亚纳弧位于西太平洋，是伊豆-小笠原-马里亚纳体系的最南端。这里有独特的构造特征：俯冲板块陡而短、沟弧距很窄、火山活动也很少。因此，该区域是研究俯冲起始阶段过程的理想区（图1）。中山大学张国良教授团队通过对该区域弧前地幔橄榄岩进行系统分析，发现初始俯冲板块熔体与新生地幔相互作用的直接证据，并挑战了一个长期存在的传统观点：弧前地幔并非普遍高度亏损。
图1 采样区域构造与位置图
该研究对“科学”号科考船采获自西南马里亚纳弧前的蛇纹石化橄榄岩进行分析，根据铬铁矿Cr#值将样品分为两组（图2）：高Cr#组（0.78-0.86）和低Cr#组（0.49-0.74），两组样品分别记录了不同类型的熔体交代。低Cr#组中的单斜辉石具有轻稀土到中稀土富集的特征，同时Sr/Y比值较高，其稀土元素配分模式与埃达克质熔体交代形成的单斜辉石一致（图3）。通过单斜辉石-熔体分配系数反演计算，与单斜辉石平衡的熔体具有典型埃达克岩的地球化学特征（高Sr、低Y、高Sr/Y），这一特征可以作为在弧前地幔橄榄岩中存在埃达克质熔体交代的证据。高Cr#组样品中，铬铁矿颗粒内部普遍包裹着角闪石。这些角闪石的微量元素特征与高硅玻安岩中的角闪石高度一致。反演计算显示，平衡熔体富集轻稀土和Sr，与伊豆-小笠原弧前高硅玻安岩的熔体包裹体组分特征相似（图4）。这表明高Cr#组橄榄岩记录了高硅玻安质熔体与地幔楔的相互作用。可见，西南马里亚纳弧前地幔受到了两种不同性质板片熔体的改造。
图2 西南马里亚纳两组弧前橄榄岩的铬铁矿组分特征
图3 西南马里亚纳低Cr#组弧前橄榄岩的单斜辉石组分特征
图4 西南马里亚纳高Cr#组弧前橄榄岩的角闪石包裹体组分特征
与成熟的IBM北部弧前橄榄岩相比，西南马里亚纳弧前橄榄岩表现出明显不同的地球化学特征。其全岩SiO2和Fe2O3T更高，而MgO和Ni更低，重稀土元素含量比北-中部样品高出近一个数量级。这些特征表明西南马里亚纳的地幔橄榄岩并不是高度亏损过程的残余，而是经历了较低程度部分熔融的、相对富集的岩石圈地幔。同时，无论是高Cr#组还是低Cr#组，其全岩和矿物的微量元素都普遍高于北-中部弧前橄榄岩，呈现明显的稀土元素富集和U-P-Pb的正异常。这些特征无法由简单的部分熔融模型所解释，而是反映了熔体-岩石反应、后期交代作用等的共同作用。因此，西南马里亚纳弧前地幔楔保留了俯冲起始时期较为原始的地球化学印记。
基于上述矿物学和地球化学证据，该研究提出西南马里亚纳弧前地幔的演化模型（图5）：在俯冲起始阶段，俯冲板块形成了两种不同类型的熔体：一种是埃达克质熔体（来自俯冲板块本身的部分熔融），与地幔楔反应生成类似埃达克岩的交代单斜辉石；另一种为高硅玻安质熔体，沿通道渗透形成高Cr#铬铁矿并包裹角闪石。由于整体部分熔融程度较低，西南马里亚纳的地幔残留体保持了相对富集的状态。这些发现与地球物理观测（短的俯冲板块、弱弧前拉张）以及地质观察（缺乏成熟岛弧火山岩）吻合。这表明西南马里亚纳是一个缓慢演化的未成熟俯冲系统，而北部伊豆-小笠原-马里亚纳已经进入成熟期。
图5 西南马里亚纳弧前橄榄岩记录的俯冲起始熔体交代模型图
研究显示在俯冲起始阶段地幔楔并非极端亏损，甚至可以通过熔体交代变得更加富集。该研究在同一套弧前橄榄岩中识别出埃达克质和玻安质两种不同来源熔体的交代记录，揭示了俯冲起始阶段板块熔融行为及熔体与地幔相互作用特征。弧前橄榄岩不仅是熔体抽取的残余，更是熔体迁移、反应和交代过程的记录者。这一结果为重建板块俯冲起始过程、理解弧岩浆成因以及评估地幔楔的氧化还原状态提供了新的视角。
以上成果近期发表在《Geological Society of America Bulletin》（中科院一区）。姚俊华博士（原中科院海洋研究所博士后）和中山大学张国良教授为共同第一作者，其中张国良教授为唯一通讯作者。合作者有浙江海洋大学张吉讲师，中科院地球化学研究所何德峰副研究员。本研究受国家科技重大专项国家重点研发计划（2024YFF0807400）、国家自然科学基金（42541604）等项目的资助。
论文信息：
Yao, J.H.(#), Zhang, G.L.(#*), Zhang, J., D.F., He, 2026. Forearc peridotites record interaction of slab melt with nascent mantle wedge in the southwest Mariana arc. Geological Society of America Bulletin. doi.org/10.1130/B38968.1.
原文链接：https://doi.org/10.1130/B38968.1
（本文来源于微信公众号中山大学海洋科学，“科学”号信息员封婧提供）
