大洋島弧的前世今生*

吳福元 王建剛 劉傳周 劉通 張暢 紀偉強

1.中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049

1967年4月19日，在華盛頓舉行的美國地球物理聯合會（AGU）春季年度會議上，年僅32歲的普林斯頓大學教授W.Jason Morgan提出，地球由12個剛性板塊組成，它們在軟流層之上做獨立的運動（Morgan，1968）。當時30歲的法國人Xavier Le Pichon聽完報告，大受啟發，提出地球由太平洋、歐亞、印度洋、非洲、美洲和南極洲六大板塊組成的思想（Le Pichon，1968）。同年，McKenzie and Parker（1967）在Nature撰文，提出與Morgan和Le Pichon類似的思想。結合Wilson早先提出的轉換斷層和Wilson旋回的概念（Wilson，1965a，b，1966），大陸漂移、海底擴張到板塊構造的地學革命三部曲至此全部完成，標志著板塊構造已開始成為主導地球形成演化研究的重要理論假說。也正因為如此，板塊構造與相對論、分子生物學和量子力學等一起被認為是20世紀自然科學研究的重大成就，從而開創了地質學研究的新紀元。

盡管半個世紀已經過去，但板塊構造理論的核心內容并無明顯變化。根據這一理論，地球的表層為剛性的巖石圈，它被劃分為不同規模的塊體，即板塊。根據性質的不同，板塊有大洋板塊和大陸板塊之分。這些板塊在地球表面發生運動，由于運動方向的差異，板塊邊界處可發生拉張作用形成離散型板塊邊界（洋中脊）或發生擠壓作用形成匯聚型板塊邊界（俯沖帶和碰撞帶）。同時，由于球面上剛性板塊不同緯度間線速度的差異，產生特征的轉換斷層。這樣，洋中脊、俯沖帶、碰撞帶和轉換斷層就構成不同類型板塊間相互接觸的最主要類型，成為板塊構造理論框架的核心內容。

對于匯聚型板塊邊界，它又可進一步劃分為俯沖帶和碰撞帶兩種。其中碰撞帶主要為兩個大陸相互接觸，并可發生一個大陸向另一個大陸下面俯沖，從而形成大陸俯沖帶。但目前地球上還少見有大洋碰撞帶的例子。就俯沖帶而言，由于大洋板片的俯沖脫水作用，在上覆板塊的前緣常形成大規模的巖漿巖帶，稱為巖漿弧（Magmatic arc；Hamilton，1988）。根據上覆板塊性質的不同，巖漿弧又可進一步劃分為洋-洋俯沖的大洋或洋內島弧（Intra-oceanic arc，又稱Oceanic arc或Oceanic island arc，即洋弧）和洋-陸俯沖的活動大陸邊緣弧（Active continental margin或continental arc，又可簡稱為陸弧）兩類。目前全球俯沖帶的總長度為55000km，其中大洋島弧為22000km，占整個俯沖帶長度的40%，足見洋內俯沖在地球演化過程中的重要地位（Leat and Larter，2003；Stern，2010；Gerya，2011a，b）。

然而，我們目前對洋-洋俯沖帶形成與演化的研究還非常薄弱（Leat and Larter，2003）。其主要原因是，洋內島弧大多遠離大陸而使研究者難以抵達；另一方面，絕大部分洋內島弧位于水下，研究難度大。本文從西南太平洋的具體實例出發，深入剖析了大洋島弧的基底性質及洋-洋俯沖可能發生的機制。我們的研究發現，洋-洋俯沖既無實際地質資料支持，也無合理的理論基礎，目前的大洋島弧成因模式仍停留在假想階段。西南太平洋的所謂島弧，實際上是從西側澳大利亞大陸裂解下來的大陸碎塊，但由于后期的弧后拉張和長期反復的島弧巖漿作用，這些塊體不斷向大洋巖石圈方向演化，最后導致目前“以假亂真”的局面。

1 大洋島弧概述

在我們的傳統認識中，日本是島弧構造的代表。但后來的研究證實，日本列島的主體是從東亞大陸裂解出來的地塊，并非洋內俯沖形成的島弧，反而應該屬于一種活動大陸邊緣弧（Taira and Ogawa，1991；Jahn，2010）。與安第斯型活動大陸邊緣不同的是，日本島弧之下的俯沖板片年齡老而比重大，從而俯沖角度較大，易于產生弧后擴張（Uyeda and Kanamori，1979）。根據目前的調查，全球的大洋島弧主要集中在西太平洋，其中尤以中部的Izu-Bonin-Mariana（簡稱IBM）島弧和西南太平洋的Vanuatu-Tonga島弧最為著名（圖1）。

大洋島弧的地質剖面可以用Mariana弧來代表（圖2a）。當一個大洋板塊俯沖到另一個大洋板塊之下后，俯沖的大洋板塊將隨深度的增大，逐步發生角閃巖相-麻粒巖相乃至榴輝巖相的變質及脫水作用。脫水的流體向上運移和交代上覆的地幔楔，并使后者發生部分熔融，進而導致島弧巖漿作用（Tatsumi and Eggins，1995；Spandler and Pirard，2013）。俯沖板塊的不斷下插，還會擾亂上覆板塊下部的對流體系，使其產生弧后拉張而形成弧后盆地（Hamilton，1988）。很顯然，俯沖帶是復雜的，其關鍵是俯沖角度的大小。在整個西太平洋地區，太平洋板塊的俯沖角度要遠大于東太平洋地區，這就是為什么西太平洋較多發育弧后盆地的重要原因。具體就Mariana弧而言，其俯沖角度明顯大于北側的日本諸島，因而導致其弧巖漿作用的寬度要窄得多（圖2b）。初步估算顯示，Mariana弧的寬度只有50km，而日本弧的寬度約為300km。同樣，在Mariana弧，海溝到弧后擴張中心的距離約為200km，明顯短于日本弧的～700km。總之，弧后擴張作用導致的弧后盆地是西太平洋地區俯沖帶最大的地質特色。

圖1 全球匯聚型板塊構造邊界圖（據Frisch et al.，2011）示三種不同類型的匯聚板塊邊緣，即活動大陸邊緣（紅色）、硅鋁質島弧（橘黃色）和硅鎂質島弧（藍色），其中后者即為洋內島弧Fig.1 Global distribution of the convergent plate boundary （after Frisch et al.，2011）

圖2 溝-弧-盆體系地質剖面示意圖（據Frisch et al.，2011）示上盤地殼性質的不同，可劃分為Mariana和Japan兩種類型，前者即為大洋島弧Fig.2 Simplified geological cross section of the trench-arc-basin system （after Frisch et al.，2011）

在俯沖作用過程中，俯沖帶如果發生后撤或者俯沖角度增大，早先形成的巖漿弧將被弧后擴張所撕裂，太平洋西側的菲律賓板塊就是實例。該板塊原為太平洋板塊向西俯沖形成的島弧地質體，54～32Ma期間的弧后擴張形成西部的弧后盆地，之后，由于板塊俯沖的角度逐漸變大，弧后擴張中心不斷向東轉移，相繼形成29～16Ma的東部弧后盆地和5～0Ma的Mariana弧后盆地，從而將原先形成的島弧撕裂成性質不同的碎片（Dewey and Casey，2011）。島弧撕裂的另一個典型實例是Tonga島弧和Lau弧后盆地。該盆地西側的Lau Ridge和Tonga弧前地區，均發育始新世（52Ma）以來的島弧巖石（Meffreetal.，2012），但原始的島弧由于太平洋板塊向東回撤發生撕裂，形成Lau弧后盆地。與此同時，新形成的巖漿弧向東遷移，寬度變窄（圖3）。實際上，西太平洋地區因弧后擴張作用導致的島弧撕裂現象普遍存在。

2 大洋島弧成因概述

盡管目前對大洋島弧帶發生的各類地質作用有了大致的了解，但目前研究的焦點是，上述洋-洋俯沖是如何發生的。遺憾的是，目前學術界對此問題研究甚少。實際上，這一問題涉及俯沖帶如何形成，即初始俯沖這一關鍵課題（Mueller and Phillips，1991；Gurnisetal.，2004；Korenaga，2013）。根據Stern（2004）的總結，初始俯沖可分為誘發式（Induced／forced）和自發式（或原發式，Spontaneous／selfsustaining）兩類。誘發式俯沖，顧名思義，是指在外力作用下，板塊邊界發生重組或調整而形成的。比如，在大洋板塊俯沖過程中，如果一個較大規模的洋底高原進入俯沖帶，它的低密度將導致其卡位于俯沖帶之中而不能被俯沖消亡，而持續的俯沖擠壓將使俯沖帶躍遷至洋底高原的靠海一側，形成新的俯沖帶（圖4a，Niuetal.，2003）。俯沖帶躍遷的典型實例是位于IBM與西南太平洋島弧之間的Yap海溝，它原本是太平洋與菲律賓板塊間的俯沖帶，但太平洋中Caroline Ridge與菲律賓板塊的碰撞，使得俯沖帶從西側的Yap海溝跳躍到Caroline Ridge東側，形成Mussau俯沖帶（Lee，2004）。另一個實例是Solomon島弧，太平洋中的Ontong Java洋底高原在中新世早期沿南北向Vitiaz俯沖帶與Solomon島弧碰撞，導致在Solomon島弧的南側產生向北的New Britain-San Cristobal俯沖帶（Cooper and Taylor，1985；Pettersonet al.，1997；Mann and Taira，2004）。

自發式初始俯沖是指相鄰板塊由于密度差等方面的原因，形成一側板塊俯沖到另一側板塊之下的現象（圖4b）。目前研究認為，自發式初始俯沖可能在三種邊界發生，分別為被動陸緣的洋陸過渡帶（Cloetinghetal.，1982，1989；Gurnis，1992；Regenauer-Leibetal.，2001；Nikolaevaetal.，2010；Marquesetal.，2014）、大洋中的斷裂（包括轉換斷層、拆離斷層或擴張脊；Uyeda and Ben-Avraham，1972；Toth and Gurnis，1998；Hilairetetal.，2007；Leng and Gurnis，2011；Shervais and Choi，2012；Maffioneetal.，2015），以及大火成巖省周邊（Burov and Cloetingh，2010；Geryaetal.，2015；Luetal.，2015；Baesetal.，2016）。其中轉換斷層模式最受青睞，其主要原因是：第一，根據計算結果，初始形成的大洋巖石圈的密度低于軟流圈，從而漂浮在軟流圈之上。但經過一定時間的冷卻后，該大洋巖石圈的密度將大于軟流圈，從而使該大洋板塊有可能沉入下伏的軟流圈。第二，在轉換斷層的兩側，早形成的巖石圈由于經歷過較長時間的冷卻而密度增大，從而誘發俯沖作用的發生。但需要注意的是，盡管轉換斷層兩側年齡相差越大，發生初始俯沖的可能性增大，但越老的板塊，冷卻導致的剛性程度也越大，板塊彎曲難度增加。因此，并非兩側板塊年齡相差越大，俯沖作用就越易發生（Mueller and Phillips，1991）。

如果我們接受板塊構造理論，那大洋就有演化輪替之說，而大洋的消亡只有通過俯沖作用才能實現。然而，到目前為止，我們還沒有在地球上發現被動陸緣或者轉換斷層轉化為俯沖帶的確切例子（Gutscheretal.，2002；Kimetal.，2018），這究竟是何原因？大西洋中最老的洋殼至少達150Ma以上，可它所在的洋陸邊界仍保持被動陸緣性質。即使轉換斷層能夠轉化為俯沖帶，進而形成大洋島弧，那為何太平洋中的洋內島弧僅集中在西太平洋地區，而在其它地區并不發育？值得注意的是，整個西太平洋島弧體系綿延數千千米，但島弧巖漿作用的起始時代驚人地穩定在大約52Ma左右（Gurnisetal.，2004；Sutherlandetal.，2017），與太平洋-Izanagi間洋脊向歐亞大陸下俯沖的時代基本一致（Setonetal.，2015；Mülleretal.，2016），可能意味著二者之間存在密切成因聯系。由于針對初始俯沖的研究目前還停留在理論探索階段，對洋-洋俯沖的起始標志、地質記錄和成因機制還有待更多探索，但這無疑是今后板塊構造理論研究的前沿課題。

3 全球主要大洋島弧及其基底性質

3.1 Izu-Bonin-Mariana島弧

圖3 菲律賓板塊形成演化（a，據Dewey and Casey，2011）及Tonga島弧剖面及撕裂過程示意圖（b，據Frisch et al.，2011）Fig.3 Evolving history of the Philippine plate（a，after Dewey and Casey，2011）and Tonga arc section and its back-arc tearing resulted from steep subduction （b，after Frisch et al.，2011）

大洋島弧主要發育在西太平洋地區，其中最具代表性的就是Izu-Bonin-Mariana弧，簡稱IBM（圖1）。該島弧的東側為太平洋板塊，西側為菲律賓板塊（Deschamps and Lallemand，2002，圖5）。以Palau-Kyushu Ridge為界，菲律賓板塊大致可劃分為西部的盆地區和東部島弧區。西部盆地區主要為NW走向的大洋盆地，為54～32Ma期間擴張作用的產物。東部島弧區的主要構造線方向近南北向，其內部存在有西部的Parece Vela-Shikoku和Mariana Trough兩個主要盆地，分別代表了29～16Ma和5～0Ma兩次擴張形成的弧后盆地。值得指出的是，目前對西菲律賓海盆地是否存在更老的基底還存在一些爭議。有研究提出，北部Amami高原的玄武巖和英云閃長巖Ar-Ar年齡約為115Ma（Hickey-Vargas，2005），Daito Ridge安山巖Ar-Ar年齡為117～119Ma（Ishizukaetal.，2011b）。緊鄰我國臺灣的花東盆地（Huatung Basin），其形成年齡為119～131Ma（Deschampset al.，2000）。

圖4 初始俯沖模式圖（據Stern and Gerya，2018）Fig.4 Subduction initiation models（after Stern and Gerya，2018）

圖5 IBM主要地質單元分布及早期弧巖漿作用序列（據Ishizuka et al.，2011a）Fig.5 Distribution of the main geological units of the IBM and its early sequence of arc magmatism （after Ishizuka et al.，2011a）

作為典型的大洋島弧，人們目前對它早期的巖漿作用特征等進行了較為深入的研究，以探討大洋島弧的成因機制。按照目前的總結（Ishizukaetal.，2011a），IBM出露的巖石可劃分為三套組合，包括底部的蛇綠巖基底、中部的初始俯沖巖石組合和上部的正常島弧巖石組合（圖5）。基底巖石組合主要包括蛇紋石化橄欖巖、輝長巖及席狀巖墻群。初始俯沖巖石組合主要包括弧前玄武巖（Forearc basalt，簡稱FAB）和玻安巖，其中弧前玄武巖為介于島弧拉斑玄武巖和大洋拉斑玄武巖之間的一種過渡類型巖石，它位于玻安巖之下，偶爾與玻安巖互層產出，其絕對年齡介于52～48Ma之間，與下伏蛇綠巖基底中輝長巖的年齡一致。上部的玻安巖以高鎂為特征，年齡為44～48Ma，較弧前玄武巖略顯年輕，但與上部的高鎂安山巖年齡一致。最上部的正常島弧巖石組合為島弧拉斑玄武巖和鈣堿性火成巖，它們的出現表明至少在44Ma以來該地區存在板塊俯沖作用。值得注意的是，上述巖石剖面中沒有發現硅質巖。

目前，IBM島弧被認為是研究洋-洋俯沖最理想的場所（Stern and Bloomer，1992；Ishizukaetal.，2011a；Arculuset al.，2015），其巖石序列記錄了太平洋板塊向菲律賓板塊下的初始俯沖。但對于IBM俯沖帶形成的機制，目前觀點眾多，爭論的核心是在俯沖發生之前該地區屬何種構造背景，原始的構造是如何轉變成俯沖帶的。Uyeda and Ben-Avraham（1972）最早提出IBM俯沖帶起始于太平洋和菲律賓板塊之間轉換斷層的認識，并被眾多的后來研究者所推崇（Stern and Bloomer，1992）。這一方案的最重要證據是，菲律賓板塊中殘存的洋中脊方向與IBM的走向近于垂直。但是，后來研究發現，菲律賓板塊的主體并不是中生代期間形成的，而且該板塊在形成期間曾經歷過～100°的逆時針旋轉（圖3a），因而該模型受到部分研究者的質疑（Taylor and Goodliffe，2004）。鑒于仰沖盤的應力性質，Halletal.（2003）提出由于板塊運動方向改變而導致的擠壓作用，致使當時太平洋板塊中的一些斷裂轉換為俯沖帶。考慮到西菲律賓海盆北部的Amami Plateau、Daito Ridge和Oki-Daito Ridge可能為120～110Ma間形成的巖漿弧（Hickey-Vargas，2005），以及Bonin島還存在159Ma的玄武巖（Ishizukaet al.，2011b），因此有學者最近提出（Ishizukaetal.，2011b，2018；Leng and Gurnis，2015），太平洋板塊與西側巖漿弧的邊界可能是初始俯沖帶的位置所在。

我們不擬討論上述模型的細節，只是總結IBM的特征作為下文討論的基礎。第一，早期蛇綠巖基底主要由蛇紋石化橄欖巖組成，但Parkinsonetal.（1998）的研究顯示，這些地幔橄欖巖具有元古代的Re虧損年齡（最老為12.3億年），顯示它并不是年輕的大洋地幔，而更可能是大陸巖石圈地幔的碎塊。第二，弧前玄武巖、玻安巖與高鎂安山巖顯示弧巖漿作用逐漸增強的趨勢，其年代也逐漸年輕。特別是弧前玄武巖與下伏輝長巖時代一致（約52Ma，Ishizukaetal.，2011a；Reaganetal.，2013），被認為是初始俯沖的標志。對這些玻安巖中尖晶石和磁鐵礦的Re-Os同位素測定發現，它確實來源于古老地幔的部分熔融，而不是初始俯沖模式所暗示的年輕軟流圈地幔的部分熔融（Sendaetal.，2016），Sr-Nd-Hf同位素數據也支持這一認識（Lietal.，2013）。此外，最近在IBM北部Izu弧的西側，發現有2.6Ma的花崗閃長巖（Tanietal.，2015）。與其它地區不同，該花崗巖的SiO2含量在70%左右，它要么來自年輕地殼的再循環，抑或來自古老大陸基底的部分熔融。古老繼承鋯石的發現，佐證這一認識（Schmittetal.，2018）。第三，IBM弧東側俯沖的太平洋板塊的時代大約為127～167Ma的晚侏羅-早白堊世（Leat and Larter，2003），西菲律賓板塊最早的基底可能就是以Amami Plateau、Daito Ridge、Oki-Daito Ridge 和花東盆地為代表的115～131Ma的島弧及弧后盆地巖漿建造。在Bonin島，還發育有159Ma的玄武巖（圖5，Ishizukaetal.，2011a）。而目前確認的IBM最早的弧前巖漿作用發生在50～52Ma，此時間與西菲律賓海盆擴張時代及影響該洋盆的Oki-Daito地幔柱時代基本一致（Ishizukaetal.，2013）。綜合這些資料，我們有理由相信，IBM是在侏羅-白堊紀島弧或更古老大陸地殼基礎上發展起來的新的島弧，而以前認為的IBM俯沖帶由轉換斷層演化而來的觀點，需要進一步資料的檢驗。

3.2 西南太平洋島弧

西南太平洋是大洋島弧最發育的地區，是東側太平洋板塊向西俯沖到澳大利亞板塊之下的結果。該島弧自北而南依次有New Britain（新不列顛）、Solomon（所羅門）、Vanuatu（瓦努阿圖，或New Hebrides-新赫布里底）、Tonga-Kermadec（湯加-克馬德克）、New Zealand（新西蘭）等。這些島弧與澳大利亞板塊之間構成復雜的弧盆系統（Baldwinetal.，2012；Matthewsetal.，2015），北部的New Britain、Solomon 和Vanuatu等島弧表現為西側弧后盆地向東俯沖到太平洋板塊之下（Coleman and Kroenke，1981；Cooper and Taylor，1985；Mann and Taira，2004；Patriatetal.，2015），而南部的Tonga-Kermadec和新西蘭北島島弧表現為東側太平洋板塊向西俯沖到澳大利亞板塊之下（圖1）。

對西南太平洋島弧的組成及成因，目前有大量的研究成果，我們在此關心的只是它們的基底組成。Tapsteretal.（2014）對北部Solomon大洋島弧中晚漸新世-早中新世閃長巖-英云閃長巖進行測定發現，其中的很多鋯石具有太古代-古生代的U-Pb年齡，表明Solomon島弧含有大量的大陸地殼基底。Buysetal.（2014）對Vanuatu島弧上始新世-中新世安山巖進行研究發現，這些巖石也存在大量捕獲鋯石，包含2.8 ～2.5Ga、2.0 ～ 1.8Ga、1.75 ～1.5Ga、0.85 ～ 0.70Ga、0.53～0.43Ga和0.33～0.22Ga的年齡峰值。對比研究發現，這些年齡在西南太平洋諸島上均未出現，但卻與澳大利亞大陸的基底年齡存在很大的相似性。因而原作者認為，Vanuatu很可能原先是澳大利亞大陸的一部分，只是在后來的擴張過程中被運移到目前的地理位置。另外，與Vanuatu隔海相望的New Caledonia（新喀里多尼亞）島上，分布著大量的晚古生代-中生代沉積地層，其碎屑鋯石年齡分布顯示明顯的澳大利亞親緣性（Adamsetal.，2009；Cluzeletal.，2012；Pirard and Spandler，2017；Campbelletal.，2018）。

大洋島弧區別于大陸島弧的重要特征是它的洋內屬性，這決定了它的基底組成應為年輕的大洋地殼。但從上述介紹的資料可以看出，西南太平洋大洋島弧的基底與澳大利亞大陸存在很大的相似性。結合這些島弧的地質發展歷史，我們認為，這些島弧的基底是從澳大利亞大陸裂解下來的碎塊，其裂解原因可能就是太平洋板塊俯沖而產生的弧后擴張作用。裂解的碎塊在后期又經歷過多次的俯沖-拉張作用改造，致使原始的巖石建造難以保留，但部分穩定大陸蹤跡仍保留至今。

支持這一解釋的重要證據來自近幾年來對新西蘭島巖石圈地幔的研究（McCoy-Westetal.，2013；Scottetal.，2014a，b；Liuetal.，2015）。Re-Os同位素測定發現，無論是北島還是南島，其巖石圈地幔均顯示古元古代，甚至太古代的年齡特征，但同時代的地殼巖石在島上從未有過報道。相反，古老的碎屑鋯石卻出現在島上的白堊系地層中（Adams and Griffin，2012）。結合New Caledonia地區的資料，我們推測，在西南太平洋大洋島弧之下，可能存在古老的大陸巖石圈殘留，值得今后甄別與研究（Weietal.，2016）。更有甚者，最近就有學者專門撰文論述新西蘭大陸（Zealandia）存在的可能性（Mortimeretal.，2017）。該文推測新西蘭大陸面積達近500萬平方千米，可與澳大利亞東部的拉克蘭（Lachlan）造山帶進行對比。由于晚中生代-始新世澳大利亞大陸東緣發生裂解，Tasman海打開，造成目前的大陸分布格局（Gainaetal.，1998；Matthewsetal.，2015）。

3.3 Lesser Antilles島弧

除上面我們介紹的菲律賓板塊與太平洋板塊間的IBM弧以及澳大利亞與太平洋間的西南太平洋島弧之外，地球上其它地區大洋巖石圈相互接觸的例子還有中美洲的Lesser Antilles（小安德烈斯）島弧、南美洲南部的South Sandiwich或Scotia（南桑威奇或斯科舍）島弧和太平洋北部的Aleutian（阿留申）島弧。

在南、北美洲之間的加勒比海地區，存在著一個較為復雜的島弧系統。它包括北面近東西向的Greater Antilles島弧、南面近東西向的Leeward Antilles島弧、東面近南北向的Lesser Antilles島弧，及西部NW走向的中美洲島弧，上述四個島弧圍限的區域即為加勒比板塊（Caribbean plate）。實際上，在Lesser Antilles島弧的西部，存在一個時代為90～55Ma的古島弧（Aves Ridge），它以Grenada盆地與Lesser Antilles島弧相接。根據目前的研究（Pindell and Kennan，2009），加勒比海地區的島弧發展可劃分為兩個階段，90～55Ma期間，加勒比板塊向北美和南美板塊之下俯沖形成南北向的大規模大陸邊緣弧（Greater Antilles-Aves Ridge-Leeward Antilles，簡稱Great Arc，Burke，1988）。隨著西側板塊的持續向東擠壓，加勒比板塊沿南北美洲兩大陸之間的轉換斷層楔入大西洋，并使上述島弧發生彎曲，并在Aves Ridge島弧與大西洋板塊之間形成新的俯沖帶。大約在12～15Ma之后，大西洋向Aves Ridge島弧下的俯沖形成Lesser Antilles島弧，并造成弧后擴張，從而將先前形成的島弧撕裂。與其它島弧不同的是（Hawkesworthetal.，1993），Lesser Antilles島弧的巖漿巖具有非常富集的Sr-Nd同位素組成（Macdonaldetal.，2000；Labaniehetal.，2010；Tengetal.，2016）。這一般歸因于俯沖沉積物的部分熔融（White and Dupré，1986；Labaniehet al.，2010），但大陸地殼基底的貢獻并不能排除（Davidson and Wilson，2011；Bezardetal.，2014，2015）。

關于加勒比海板塊本身，目前傾向于認為它可能是一個年齡約為90Ma的洋底高原（Kerretal.，2003；Kerr and Tarney，2005；Wright and Wyld，2011；Loewenetal.，2013；Whattam and Stern，2015）。它原本發育在Farallon板塊之中，當其與南北美洲的大陸弧碰撞后，持續向東楔入，并多次發生俯沖帶的躍遷和俯沖極性的反轉。因此，如果這一模型正確的話，Lesser Antilles島弧的形成與洋內俯沖并無實質性關聯。

3.4 South Sandiwich島弧

位于南美板塊與南極板塊之間的Scotia海及其東側的South Sandiwich（或Scotia）島弧具有相對復雜的演化歷史（Barker，2001；Dalzieletal.，2013）。South Sandwich弧以東的同名海溝，代表了南美板塊向South Sandwich弧之下的俯沖，俯沖作用產生的弧后擴張形成東Scotia擴張脊，并將Scotia海分成西部的Scotia板塊和東部的Sandwich板塊。目前可以確定的是，東側南美板塊是晚白堊世-漸新世的大洋巖石圈，西側Scotia板塊的時代目前并不明確，但大多數研究支持它原為與太平洋相關的Phoenix大洋板塊的一部分，只是后來由于構造作用而被夾持在南美和南極板塊之間（Dalzieletal.，2013）。由于研究程度的限制，我們目前還難以對該島弧的成因機制及基底性質進行評估。

3.5 阿留申（Aleutian）島弧

在太平洋北部，阿留申島弧（Aleutian arc）從西部的勘察加半島到東部的阿拉斯加灣，長約3000km。該島弧的南面是向西北俯沖的太平洋板塊，北部為阿留申盆地。目前對阿留申盆地的成因存在多種不同的觀點（DeLongetal.，1978；Steinberger and Gaina，2007；Chekhovichetal.，2012；Wrightetal.，2016），但多數研究傾向于認為（Marlow and Cooper，1983），阿留申盆地原為Kula板塊的一部分。大約在60Ma左右，Kula板塊向北俯沖到白令海和阿拉斯加之下。56～42Ma左右，Kula板塊中的大洋高原被卡位在俯沖帶之中，從而使原來洋-陸的俯沖邊界跳躍到目前位置，形成洋-洋俯沖帶。

以上我們對世界上主要島弧的基底情況進行了總結。這些資料顯示，大洋島弧的基底含有一定的古老大陸巖石圈成分。這種現象不僅體現在IBM和西南太平洋的諸多島弧中，在世界其它地區及地質歷史上不同時代的島弧中多有見及（Smythetal.，2007；Lietal.，2018），非常值得學術界今后注意。盡管這些島弧目前主要表現為大洋巖石圈的特性，但這很可能是由于它們在形成后遭受到強烈的改造所致，它們的前身非常可能是大陸巖石圈，或者是與大陸巖石圈關系密切的大陸邊緣弧。在西太平洋之外的其它地區，大洋島弧的形成主要與由于大洋高原夾塞所導致的俯沖邊界跳躍有關，目前在大洋中還沒發現俯沖帶可自發形成的實例。

4 Kohistan-Ladakh大洋島弧成因

以上我們詳細討論了現今大洋中洋內島弧的發育情況和成因問題，但實際上這一概念在古板塊構造的恢復中也極為重要（van der Meeretal.，2012）。以當前備受學術界矚目的喜馬拉雅造山帶為例，印度與亞洲板塊的碰撞模式實質上與當時的新特提斯洋中是否發育大洋島弧有關。在我國的藏南地區，傳統的模式認為，印度與亞洲的碰撞發生在60～55Ma左右（Dingetal.，2005；Wuetal.，2014；Huetal.，2015，2016），為南北兩大陸直接碰撞（圖6a）。但Aitchisonetal.（2000）則提出，印度與亞洲之間的新特提斯洋中存在澤當洋內島弧。該島弧首先與南側印度大陸碰撞，然后再一起與亞洲大陸碰撞（圖6b）。很顯然，澤當島弧的成立與否是區分上述不同模式的關鍵所在。我們不擬對這一問題進行全面的論述，只是提及，如果澤當弧成立的話，它與亞洲大陸之間應存在弧陸碰撞的縫合線。但到目前為止，我們在澤當弧與亞洲大陸之間并沒有發現可以鑒別的碰撞邊界（Zhangetal.，2014）。因此，澤當弧實際上是北部岡底斯巖漿弧的一部分，前人提出的弧-陸碰撞模式并沒有地質事實的支持（Wuetal.，2014）。

圖6 印度-亞洲大陸間雅魯藏布縫合帶形成模式圖（據Wu et al.，2014修改）Fig.6 Model showing the formation of the Yarlung Zangbo suture between India and Asia （modified after Wu et al.，2014）

圖7 巴基斯坦北部大洋閉合模式圖Fig.7 Proposed models showing the closure of the Neo-Tethyan ocean between Indian and Asian plates

無獨有偶，喜馬拉雅造山帶西段的印度-巴基斯坦地區，上述爭論同樣存在。與我國藏南地區不同的是，該區在印度和亞洲大陸之間發育有巨型的Kohistan-Ladakh島弧，該島弧以Shyok和Indus縫合線分別與北側的亞洲大陸（喀喇昆侖）和南側的印度大陸相接。傳統觀點認為（圖7a），Kohistan-Ladakh島弧首先在70Ma左右與北側亞洲大陸拼合，然后在55Ma左右與南側印度大陸碰撞（Petterson and Windley，1985，Rehmanetal.，2011）。但最近也有學者提出（Khanet al.，2009；Bouilholetal.，2013；Jagoutzetal.，2015），Kohistan-Ladakh島弧首先在55Ma左右與印度大陸碰撞，然后該復合地體在50～40Ma左右與亞洲大陸拼合（圖7b）。我們不擬對上述不同模式的細節作全面的論述，只是指出下面兩點供讀者思考。首先，Shyok作為板塊縫合線的地質證據明顯不足。無論是在印度西北部的Ladakh還是巴基斯坦的Kohistan地區，沿Shyok縫合線并不發育指證板塊俯沖-拼合的高壓變質巖系。更為重要的是，沿線分布的少量鎂鐵質與超鎂鐵質巖體，也與我們通常定義的蛇綠巖相差甚遠。因此，有學者認為，Shyok縫合線并不表征存在過一個消失的大洋，它至多記錄了一個小規模的弧后盆地（Pudsey，1986；Robertson and Collins，2002）。

圖8 巴基斯坦北部Kohistan島弧不同類型巖石發育關系示意圖Fig.8 Sedimentary-igneous sequence of the Kohistan arc in northern Pakistan

其次，Kohistan-Ladakh被認為是目前世界上保留的最具代表性的大洋島弧，它的成分演變被認為是大洋島弧向大陸演化的范例（Jagoutz and Schmidt，2012；Jagoutz，2014）。在Kohistan弧內，在大量深成巖發育之前存在一套火山-沉積巖系，其自下而上分別被命名為Kamila斜長角閃巖、Jaglot火山沉積巖、Chalt火山巖和Yasin碎屑沉積巖（Burg，2011；圖8）。其中Jaglot和Yasin碎屑沉積巖成分成熟度高，顯示古老大陸地殼長期風化的巖石建造特征。我們對Jaglot巖系副片麻巖樣品的初步研究發現，該巖系中存在大量元古代的碎屑鋯石，最老可達20億年左右，其整體年代學特征與北側的Karakorm地體極為類似。因此，Kohistan可能并不是一個洋-洋俯沖形成的洋內弧，它是在亞洲活動大陸邊緣的一部分，只不過該活動大陸邊緣在發育期間存在過弧后擴張，從而將早期形成的巖漿弧裂解成與現今西南太平洋類似的情形。

5 洋-洋初始俯沖與蛇綠巖成因

蛇綠巖是一個重要的巖石學名詞，它在古板塊構造恢復中發揮著重要的作用。自從Gass（1968）首次提出蛇綠巖可能相當于大洋巖石圈開始，蛇綠巖就成為確定已消失大洋的重要地質證據。但Miyashiro（1973）創新性地提出塞浦路斯的Troodos蛇綠巖可能形成于俯沖有關的島弧環境，從而使Alabasteretal.（1982）提出SSZ蛇綠巖的概念。隨著資料的積累，人們發現世界上95%以上的蛇綠巖都發育弧巖漿作用的印跡，從而提出蛇綠巖更多的是代表小洋盆，而不代表浩瀚的大洋盆的認識（Pearce，2003）。

圖9 初始俯沖與蛇綠巖形成示意圖（據Stern，2004）Fig.9 Subduction initiation and the formation of ophiolite（after Stern，2004）

既然是與島弧有關，那蛇綠巖就可形成于弧前、弧后、弧間等不同部位，這種爭論在塞浦路斯的Troodos蛇綠巖、阿曼的Semail蛇綠巖和美國西部的Coast Range蛇綠巖中表現最為清晰（Hopsonetal.，2008）。這種爭論的本質就是如何看待蛇綠巖中鎂鐵質巖石的島弧地球化學指標和覆蓋在蛇綠巖之上硅質巖的遠洋沉積特征。在這一學術背景下，弧前初始俯沖模式成為當前蛇綠巖研究者關注的焦點（Pearce and Robinson，2010；Reaganetal.，2010；Whattam and Stern，2011；Lengetal.，2012；Sternetal.，2012；Zhouetal.，2018）。

如圖9所示，當一側板塊相對另一側板塊發生下沉時，兩者之間將產生一定的空當。很顯然，該空當會被流動的軟流圈所占據。而該軟流圈在占據上述空當的過程中，勢必發生上升以及與之相伴的減壓部分熔融。這樣，熔融的熔體形成蛇綠巖中的鎂鐵質巖系，而殘留體形成蛇綠巖中的超鎂鐵質巖系。在這一模式中，由于早期僅表現為軟流圈的部分熔融，所形成的熔體主要表現為洋中脊玄武巖（MORB）的特征。隨著過程的進行，俯沖作用影響越來越顯著，從而使后來產生的熔體中較多地攜帶俯沖作用的痕跡，甚至出現表征弧前巖漿作用的玻安巖。

上述模型顯然從全新的角度，對蛇綠巖的特征和成因給予了重新解釋。本文作者無意對上述模型進行全面的回顧與評述，只是指出以下幾點供讀者參考：第一，初始俯沖的引入盡管合理解釋了蛇綠巖中部分以前難以解釋的特征，但它仍沒有涉及俯沖作用發生前的第一代大洋板塊的形成機制，即上述俯沖或被俯沖的大洋板塊如何產生；第二，在上述模型中，蛇綠巖代表初始俯沖，即蛇綠巖可被視為俯沖作用開始的標志（Sternetal.，2012）。那為何幾乎所有的蛇綠巖，其上部都被遠洋的硅質巖覆蓋，且缺乏與島弧形成相關的巖漿作用及沉積記錄呢？第三，盡管初始俯沖模式預測鎂鐵質巖石可能會呈現從MORB向SSZ演變的趨勢（Whattam and Stern，2011），但絕大多數蛇綠巖并不表現出這種變化，甚至是相反的演化趨勢；第四，玻安巖的巖石學特征要求其來源于難熔（refractory）地幔較大程度的部分熔融。而若發生這種程度部分熔融，該地幔應先發生過交代作用以降低它的熔點。但這種交代作用或許與初始俯沖有關，或許是與初始俯沖無關的更古老的地幔富集事件有關（Duncan and Green，1987；Uminoetal.，2015）。在塞浦路斯的Troodos蛇綠巖中，玻安巖大量侵入蛇綠巖的地幔橄欖巖之中，明顯代表了蛇綠巖形成之后的另外一次巖漿事件。此外，玻安巖多被認為是弧前環境的標志巖石。但實際上，這種巖石在島弧、裂谷和洋中脊等環境中同樣存在（Hickey and Frey，1982；Crawfordetal.，1989；Nonnotteetal.，2005）。根據軟流圈中存在古老地幔組分的事實（Liuetal.，2008），我們甚至懷疑，這些古老巖石圈地幔由于密度較輕和長期的交代作用改造，極易在洋中脊通過卸壓而聚集。在減壓或者地幔柱加熱的情形下，它們完全可以部分熔融形成玻安巖（Duncan and Green，1980，1987；Golowinetal.，2017a，b）。或者說，洋中脊可能是玻安巖產出的較有利部位。第五，IBM被認為是初始俯沖弧前蛇綠巖的典型代表，但我們并無可靠資料證明，IBM在52～49Ma期間確實處于弧前位置。正如前面討論過的那樣，IBM作為菲律賓板塊的一部分，經歷了復雜的島弧形成與撕裂歷史（Dewey and Casey，2011）。另一方面，從約50Ma至今，IBM發生過大約150km的俯沖侵蝕（Lallemand，1995）。如果將這一距離恢復的話，IBM在始新世期間可能并不處于弧前位置，而更可能位于弧間甚至弧后位置。因此，IBM形成于弧前位置的說法需要進一步資料的驗證。實際上，俯沖侵蝕目前已被證明在西南太平洋島弧區普遍存在（Clift and Vannucchi，2004；Stern，2011），Tonga等地區的弧前認識等都需要進一步推敲。

最近，更有學者通過蛇綠巖和相伴生的變質底板（Metamorphic sole）的年代對比來進一步約束初始俯沖產生的自發與誘發機制（Guilmetteetal.，2018）。這一學術思想實際上在早年已經提出（Wakabayashi and Dilek，2003；Shervais and Choi，2011；Agardetal.，2016），但一直未能發現可靠的證據予以約束。我們不擬討論上述研究的細節，只是指出，變質底板石榴石的Lu-Hf等時線年齡與蛇綠巖鋯石的U-Pb年齡不具可對比性，更何況該Lu-Hf年齡的可靠性有待進一步研究的驗證。

因此，從目前資料看，蛇綠巖形成的弧前初始俯沖模型缺乏實際地質證據，它基本處于模型到模型的理論假設階段，需要實證資料的進一步檢驗。在傳統的巖石學理論框架中，弧前被認為是巖漿作用不發育的地區（Magmatic gap）。因為那里深度淺，俯沖的板片充其量只是發生少量的脫水，其地幔楔不具備發生熔融進而導致大量巖漿產生的條件（Abersetal.，2017；Perrinetal.，2018）。此外，即使上述初始俯沖模式成立，我們也不應該將其稱之為fore-arc ophiolite，而應將其稱之為Pre-arc ophiolite，因為它只是與島弧或俯沖作用在發生的時間上存在先后關系。

但是，弧前是否可以由于其它機制導致拉張形成蛇綠巖，這是目前極受關注的重要問題（Butler and Beaumont，2017）。

6 結論

根據目前的調查，洋-洋俯沖及其所形成的大洋島弧僅在西太平洋廣泛存在，而在其它大洋以及太平洋的其它部位出現頻率明顯降低。對這些大洋島弧仔細研究發現，它們基本上存在兩種形成方式。在加勒比海、斯科舍海和阿留申等地區，當大洋中的洋底高原隨板塊運移而到達俯沖帶時，它的低密度將引發洋底高原的夾塞，致使俯沖帶跳躍到洋底高原的另一側，從而開始洋-洋俯沖，繼而形成大洋島弧。然而，西太平洋的大洋島弧卻顯示另一番不同的景象，它們的基底或多或少都顯示古老大陸的特征，表明它們原本并非大洋板塊的部分，而更可能是從周邊大陸上裂解的碎塊。在太平洋的西緣，大洋板塊向大陸下的高角度俯沖，形成西太平洋的溝-弧-盆體系。而俯沖大洋板塊的回返與后撤，致使早先形成的大陸島弧發生裂解，并向大洋巖石圈方向演化。因此，從本質上看，這類大洋島弧實際上是從大陸島弧演化而來，目前盛行的洋-洋俯沖的大洋島弧初始啟動模式，既沒有理論基礎，也無實際資料的支持，因而需要進一步研究的檢驗。但大陸邊緣島弧又是如何產生的，這又涉及到被動陸緣如何轉化為俯沖帶這一重要理論問題。盡管這一問題極為重要，但它已遠遠超出本文要討論的范圍。

致謝 本文第一作者在近年的工作過程中，多次得到葉大年先生的指點與教誨，特別就如何開展創新性科學研究，曾多次向他請教。恰逢他80華誕，我們撰寫此文，表達對他的衷心祝愿；同時也以此文紀念板塊構造理論提出50周年。本文的初步思想在2017年6月鄭永飛教授主持的《板塊俯沖帶》會議上做過交流，文章撰寫過程中與萬博、趙亮、朱弟成、胡修棉、丁林等眾多學者進行過多次不同形式的討論。感謝王強研究員對本文認真而細致的評審，他的意見對本文質量的提高大有裨益。