中美洲俯沖帶南段上覆板塊沉積物化學組分及其地質意義*

趙仁杰 鄢全樹, 3 張海桃 關義立 石學法

1.山東科技大學地球科學與工程學院，青島 266590 2.自然資源部第一海洋研究所，海洋地質與成礦作用重點實驗室，青島 266061 3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，海洋地質過程與環境功能實驗室，青島 266061

全球匯聚板塊邊緣根據上覆板塊剝蝕物質(前緣剝蝕及底部剝蝕)和增生物質(前緣增生及底侵增生)之間的平衡關系，可以劃分為剝蝕邊緣和增生邊緣(von Huene and Scholl, 1991; Cliftetal., 2009a; Straubetal., 2020; 趙仁杰等, 2020)。在剝蝕邊緣，上覆板塊弧前區域可能經歷剝蝕和結構坍塌形成前緣剝蝕，同時其底部可能經歷由水壓致裂和磨蝕造成的底部剝蝕，這些過程將地殼物質帶入俯沖帶(Pichonetal., 1993; von Hueneetal., 2004; Cliftetal., 2009b; Scholl and von Huene, 2009; Saffer and Tobin, 2011)。通常認為俯沖剝蝕過程只將大陸地殼物質帶入地幔中，然而隨著對上覆板塊弧前結構及組分研究的不斷深入，弧前剝蝕的物質可能還包含增生洋殼以及增生沉積物，這些剝蝕再循環物質對俯沖帶巖漿作用以及地幔不均一性作出重要的貢獻(Plank and Langmuir, 1998; Workmanetal., 2004; Goss and Kay, 2006; Willbold and Stracke, 2006; Straubetal., 2015, 2020)。因此，確定俯沖剝蝕物質組分是研究剝蝕型匯聚板塊邊緣物質再循環的先決條件。

自早中新世以來，中美洲俯沖帶已經從增生邊緣演化成典型的剝蝕邊緣(Vannucchietal., 2003)。目前中美洲海溝走向在哥斯達黎加南部發生向陸的彎曲，這可能與科科斯脊的俯沖有關(Vannucchietal., 2013; Lietal., 2018)。前人對哥斯達黎加南部弧前陸架層序重建的研究表明，科科斯脊俯沖造成弧前大量的俯沖剝蝕，并在初始的0.3Ma期間移除了體積達1.2×106km3的物質，形成典型的“弧前沉積(弧前由于底部被俯沖剝蝕移除，陸源沉積物直接在弧前沉積)”，接受了大量的陸源沉積(Vannucchietal., 2013, 2016a)。盡管從構造地質學和地球物理角度的研究指出該區域上覆板塊基底存在明顯的剝蝕現象，但是由于鉆探取樣技術有限，人們仍未獲得中美洲俯沖帶南部弧前的基底巖石樣品。前人在俯沖再循環的研究中使用中美洲俯沖帶南部(中美洲俯沖帶南部指哥斯達黎加中部到巴拿馬之間的區域，分界線見圖1a中黃色實線)弧前露頭中的蛇綠巖套組分代表剝蝕端元組分(Goss and Kay, 2006)，但該觀點還存在爭議。此外，在中美洲俯沖帶的“俯沖物質淺部再循環產物”(大陸弧火山巖)中可能保存了俯沖剝蝕物質參與俯沖物質再循環的直接證據(Straubetal., 2020)。

圖1 地質背景及樣品描述

本文對綜合大洋鉆探計劃344航次兩個站位(U1380和U1413)所獲得的沉積物樣品進行研究。由于兩個站位均未獲得基底巖石，本文對鉆孔中沉積物的粗碎屑層位開展了系統的主、微量元素及Sr-Nd-Pb-Hf同位素地球化學分析，將其與中美洲俯沖帶南部不同年齡的大陸弧火山巖、中美洲俯沖帶南部弧前基底(Goss and Kay(2006)選用的俯沖剝蝕端元)、加勒比大火成巖省基底組分及古加拉帕戈斯熱點軌跡組分進行對比，確定中美洲俯沖帶南部上覆板塊基底組分。此外，本文還探討了俯沖剝蝕物質對中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖成因的可能影響。

1 地質背景和樣品描述

在東太平洋海隆東側，兩個次一級的構造板塊(科科斯板塊和納茲卡板塊)正沿著中美洲海溝向加勒比板塊俯沖，是研究俯沖剝蝕邊緣的典型區域(圖1a)(Carretal., 2004; 李永祥等, 2013; 鄢全樹和石學法, 2014)。沿中美洲海溝走向，輸入板塊的匯聚速率、火山弧地殼厚度、俯沖角度、年齡、組分等均存在顯著的差異(Carretal., 1990; Lyleetal., 1995; Barckhausenetal., 2001; DeMets, 2001)。從危地馬拉到哥斯達黎加，科科斯板塊和加勒比板塊之間的匯聚速率從60mm/yr增加到90mm/yr(DeMets, 2001)。弧下地殼厚度從危地馬拉(48km)向尼加拉瓜(32km)逐漸減小，然后向南又逐漸增厚，在哥斯達黎加其厚度達到32～40km(Carretal., 1990)。俯沖角度從尼加拉瓜的60°減小到哥斯達黎加中部的40°(Lyleetal., 1995)，而在哥斯達黎加南部接近平板俯沖。從危地馬拉到哥斯達黎加北部(中美洲俯沖帶北部，分界線見圖1a中黃色實線)，俯沖洋殼年齡大約為24.0Ma，是東太平海隆擴張形成的科科斯板塊，其組分類似于大洋玄武巖(Barckhausenetal., 2001; Walker and Gazel, 2014)。然而，自哥斯達黎加中部到巴拿馬(中美洲俯沖帶南部，分界線見圖1a中黃色實線)，俯沖板塊被科科斯脊及西北側海山群覆蓋，其組分為洋島玄武巖，年齡大約為13.0～14.5Ma(Carretal., 1990; Dziermaetal., 2011; Walker and Gazel, 2014)。科科斯脊及西北側海山群是加拉帕戈斯熱點與科科斯-納茲卡擴張中心相互作用形成，科科斯脊長約1000km，寬200～300km，比周圍海底高2km(Werneretal., 2003; Harppetal., 2005)。俯沖洋殼地形的差異造成中美洲海溝俯沖剝蝕速率的不同，中美洲俯沖帶北部自早中新世正常洋殼俯沖以來，剝蝕速率為11.3～13.4km3/Myr/km；而中美洲俯沖帶南部，自科科斯脊開始俯沖，短期的俯沖剝蝕速率可達1125km3/Myr/km，平均為108～123km3/Myr/km(Vannucchietal., 2013, 2016b)。同時，在中美洲火山弧南部，大陸弧火山巖在晚中新世發生顯著變化，鈣堿性的火山巖在～6Ma停止，同時出現堿性玄武巖和埃達克質巖，這些火山巖均具有加拉帕戈斯熱點的同位素和微量元素特征，可能是由于俯沖樣式變化造成的(Abratis and W?rner, 2001; Gazeletal., 2009, 2011; Morelletal., 2012; Morell, 2015)。最近根據火山巖的同位素地球化學數據和地震各向異性的綜合分析，發現從哥斯達黎加到尼加拉瓜的弧下地幔楔中存在平行于海溝的物質流(Hoernleetal., 2008)。

為了探索大地震的成因機理與破壞過程，綜合大洋鉆探計劃334和344航次在中美洲俯沖帶南部哥斯達黎加西部奧薩半島附近的海域實施了鉆探，站位分布在俯沖板塊和上覆板塊(Harrisetal., 2013a)。其中站位U1380(8°35.99′N、84°4.39′W，水深502.7m)和U1413(8°44.46′N、84°6.80′W，水深540.0m)分別位于上覆板塊陸坡的中部和上部。兩站位的科學目標之一均為獲得上覆板塊基底巖石的性質、組分及物理特征，然而在實際實施過程中均未獲得基底巖石(圖1b)，兩個站位詳細的巖性單元見圖1c(Harrisetal., 2013b, c)。本文選取U1380站位中5個層位：1個位于巖性單元ⅡA(深度為556.01m，巖性為含貝殼碎屑的粗砂)、2個位于巖性單元ⅡB(深度分別為701.61m和764.38m，巖性分別為粘土質粉砂和粉砂巖)、2個位于巖性單元Ⅲ中(深度為789.82m和796.98m，巖性均為粉砂質粘土巖)，對以上層位進行主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素測試；選取U1413站位中5個層位：2個位于巖性單元Ⅱ(深度為162.21m和170.78m，巖性均為粉砂質粘土巖)、3個位于巖性單元Ⅲ(深度分別為446.78m、513.56m和578.35m，巖性分別為粉砂巖，砂巖以及砂質粉砂巖)，其中上部的四個層位分別進行主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素測試，最底部的層位只進行Sr-Nd-Pb-Hf同位素測試。

2 分析方法

2.1 主、微量元素分析

實驗將凍干后的樣品研磨成200目，在105℃的烘箱中烘干3小時，取0.05g的樣品加入特氟龍熔樣內膽中，然后加入1.50mL高純HNO3和1.50mL高純HF，加蓋及鋼套密閉，放入195℃的烘箱48小時，將冷卻后的熔樣內膽取出放在電熱板上蒸干。然后再加入1mL HNO3并再次蒸干。最后加入3mL高純HNO3和0.5mL Rh內標溶液，置于150℃的烘箱中24小時，冷卻后，將提取液轉移至聚酯瓶中，用Mill-Q水稀釋待測。主量元素除了SiO2外，在自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室利用電感耦合等離子光學發射光譜法(ICP-OES)測定；SiO2是在山東第四地質礦產勘查院利用X射線熒光光譜法測試。微量元素在自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室利用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)完成。對于含量>1.0%的主量元素，精度為±0.2%～2%，微量元素的精度<10%。同時測定了燒失量。標樣為BHVO-2，測定值與推薦值在誤差范圍內是一致的(見表1)。

2.2 Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析

稱取50mg研磨至200目的樣品于聚四氟乙烯(PTFE)熔樣瓶中，加入2mL HF、1.5mL HNO3和0.2mL HClO4，擰緊瓶蓋，將熔樣瓶置于120℃電熱板上加熱約一周至其完全溶解。熔樣完全后，開蓋蒸干，再升溫至180℃，去除殘余HClO4。用于Sr、Nd同位素測試的樣品蒸干后，用2.5mL/L的HCl將樣品溶解，然后轉移到離心管中，離心后吸取上清液，采用AG50W-X12樹脂離子交換柱進行Sr和REE的化學分離，接收下來的REE再用P5O7萃淋樹脂離子交換柱分離Sm和Nd；用于Pb同位素測試的樣品蒸干后，用0.6mL/L的HBr溶解樣品，離心后吸取上清液，采用AG1-X8樹脂離子交換柱進行Pb同位素的化學分離。沉積物Hf同位素采用堿熔法溶樣，稱取0.5g研磨至200目的樣品粉末與1g的Li2B4O7混合均勻，在鉑金坩堝中用Rigaku高頻全自動熔樣機在1250℃熔融并冷卻制成玻璃片，然后用高壓壓片機將玻璃片壓碎，稱取0.3～0.4g上述樣品于樣品瓶中，加入6～8mL 2.5M HCl，將樣品并置于60℃的電熱板上加熱直至完全溶解。將溶解好的樣品離心，以備上柱分離Hf。分離Hf和基體元素以及干擾元素采用HCl-單柱Ln-Spec提取色譜方法。

Sr、Nd、Pb同位素測試采用高精度多接收電感耦合等離子體質譜儀(MC-ICP MS)完成，該測試工作在自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室完成。在測試過程中Sr同位素測試的標樣為NBS987，測定值為87Sr/86Sr=0.710268±7(2σ)，Nd同位素測試的標樣為Shin Etsu JNdi-1，測定值為143Nd/144Nd=0.512120±3(2σ)，Pb同位素測試的標樣為NBS981，測定值為206Pb/204Pb=16.938，207Pb/204Pb=15.493，208Pb/204Pb=36.725(見表2)。Hf同位素采用多接收電感耦合等離子體質譜儀(MC-ICP-MS)完成測試，該測試工作在中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室完成，標樣為BHVO-2，其測定值為176Hf/177Hf=0.282877±10(2σ)(見表2)。

表2 站位U1380和U1413各層位Sr-Nd-Pb-Hf同位素比值

3 分析結果

3.1 主、微量元素

站位U1380和U1413沉積物主量元素中含量最高的為SiO2，其平均含量為53.47%；其次從高到低依次為Al2O3、Fe2O3T、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2、P2O5以及MnO；同時，兩站位的燒失量均較高，平均為9.31%，數據詳見表1。

表1 站位U1380和U1413各層位主量(wt%)、微量(×10-6)元素分析結果

根據站位U1380和U1413沉積物中各層位原始地幔標準化后的微量元素蛛網圖(圖2)可以看出，兩站位中各層位微量元素變化范圍相對較小，均呈現出Rb、Ba、U、K元素的富集，以及Nb、Ta、Th的虧損。相比于站位U1380，站位U1413更富集不相容元素，更虧損相容元素。

圖2 站位U1380和U1413各層位原始地幔標準化微量元素蛛網圖(標準化值據Sun and McDonough, 1989)

根據站位U1380和U1413沉積物中各層位球粒隕石標準化后的稀土元素配分圖(圖3)可以看出，兩站位均呈現出輕微的輕稀土富集，其配分模式較為平坦。相比于站位U1380，站位U1413相對富集輕稀土，虧損重稀土，但是虧損和富集程度相對較低。

圖3 站位U1380和U1413各層位球粒隕石標準化稀土元素配分圖(標準化值據Sun and McDonough, 1989)

3.2 Sr-Nd-Pb-Hf同位素

各層位的同位素數據見表2。沉積物樣品中，87Sr/86Sr(0.704679～0.707899)，206Pb/204Pb(18.858～19.255)，207Pb/204Pb(15.597～15.930)，208Pb/204Pb(38.588～39.408)的變化范圍較大。但143Nd/144Nd(0.512883～0.512973)與176Hf/177Hf(0.283120～0.283170)的變化范圍較小。沉積物Sr-Nd-Pb-Hf同位素相關性圖解(圖4)顯示：沉積物組分與CLIP基底的Nd(143Nd/144Nd：0.512823～0.513104)、Pb(206Pb/204Pb：18.714～19.903；207Pb/204Pb：15.551～15.623；208Pb/204Pb：38.526～39.673)、Hf(176Hf/177Hf：0.283101～0.283153)同位素組分(Geldmacheretal., 2003; Hauffetal., 2000)基本一致。

圖4 站位U1380和U1413各層位同位素圖解

4 討論

4.1 中美洲俯沖帶南部上覆板塊基底組分

研究剝蝕型匯聚板塊邊緣物質再循環的首要條件之一是確定上覆板塊基底組分。中美洲俯沖帶上覆板塊為加勒比板塊，該板塊位于南美洲和北美洲之間，大部分被加勒比大火成巖省覆蓋，其起源目前仍存在一定爭議(Hoernleetal., 2002; James, 2005; Dürkef?ldenetal., 2019)。最初的“原位模型”研究認為加勒比大火成巖省(CLIP)在南北美洲之間形成(Meschede and Frisch, 1998; James, 2005)。然而隨著在小安的列斯島弧(加勒比板塊西側)中發現了侏羅紀時期太平洋種屬的放射蟲，并且其年齡比南北美洲板塊分離的時間更早，因此越來越多的學者支持加勒比板塊起源于太平洋(Hoernleetal., 2002; Dürkef?ldenetal., 2019)。該模型認為，加勒比大火成巖省是加拉帕戈斯地幔柱的頭部在法拉隆板塊上形成，然后與加勒比巨型弧碰撞，由于其具有浮力阻塞俯沖帶，使俯沖極性發生由東向西的反轉，隨后插入南北美洲之間(Hoernleetal., 2002; Dürkef?ldenetal., 2019)。

目前認為加勒比板塊沿太平洋側(中美洲俯沖帶)巖漿雜巖體的起源較為復雜，可能由增生的太平洋海山組分、殘余的古俯沖帶物質、上升的加勒比大火成巖省基底組分以及增生的古加拉帕戈斯熱點物質組成(Hauffetal., 2000; Hoernleetal., 2002)。因此，以上組分都可能作為上覆板塊被俯沖剝蝕的物質。例如，Goss and Kay(2006)研究中美洲俯沖帶南部物質再循環時，選擇哥斯達黎加弧前布里卡(Burica)、戈爾菲托(Golfito)、奧薩(Osa)和克波斯(Quepos)處的蛇綠巖代表俯沖剝蝕物質。前人研究指出戈爾菲托和布里卡為加勒比火成巖省基底上升暴露的部分，而奧薩和克波斯則是由加拉帕戈斯熱點形成的無震脊和海山(Hauffetal., 2000)。Goss and Kay(2006)的研究清晰表明中美洲哥斯達黎加處晚中新世以來埃達克質巖的形成受到俯沖剝蝕物質的影響。然而，隨后的研究表明戈爾菲托可能并非加勒比大火成巖省基底組分，而是75～66Ma的島弧組分(Buchsetal., 2010)。因此，Goss and Kay(2006)選擇的端元是否能夠真實代表弧前基底組分，前人并沒有給出充分的證據。

本研究將弧前鉆孔沉積物中的粗碎屑層位組分與弧前各種構造單元組分對比，以期獲得真實的弧前基底組分。根據鉆孔位置，研究推測鉆孔中物質來源可能為中美洲火山弧組分、中美洲俯沖帶南部弧前基底組分(Goss and Kay(2006)研究中選擇的俯沖剝蝕端元)，古加拉帕戈斯熱點組分以及加勒比大火成巖省基底組分。本文主要探討各俯沖端元對中美洲俯沖帶南部大陸弧巖漿作用的影響，所有測試結果為全巖樣品數據，然而在沉積過程中，陸源物質和海洋自生組分共同沉積，因此，我們重點關注不受沉積過程影響的堿金屬元素(Rb、K)以及高場強元素(Nb、Ta、Ti、Zr和Hf)(Plank and Langmuir, 1998; Plank, 2014)。從元素蛛網圖(圖2)中可以看出，兩個站位的元素含量較為均一，表明其物質源區是相同的；沉積物粗碎屑層位中堿金屬元素和高場強元素落在中美洲俯沖帶南部>6Ma大陸弧火山巖、中美洲俯沖帶南部<6Ma大陸弧火山巖以及加勒比大火成巖省基底組分的區域(圖2a, b, d)；相比于中美洲俯沖帶南部弧前基底和古加拉帕戈斯熱點軌跡，沉積中粗碎屑層位具有較高的堿金屬含量(圖2c, e)。研究表明位于大陸邊緣快速沉積形成的海洋沉積物稀土元素主要受陸源物質影響(Mclennanetal., 1990; Plank and Langmuir, 1998)。中美洲俯沖帶南部弧前由于俯沖剝蝕形成了典型的“弧前沉積”，接受了大量的陸源沉積(Vannucchietal., 2013)，因此本研究中沉積物粗碎屑層位組分的稀土配分模式主要受陸源物質影響。從圖3中我們排除中美洲俯沖帶南部<6Ma大陸弧火山巖來源的可能性。我們進一步從Sr-Nd-Pb-Hf同位素角度進行對比，從圖4中可以看出，沉積物Sr同位素變化范圍較大，這是由于沉積物中碳酸鹽對Sr同位素的影響(孟憲偉等, 2000)，因此在本文中Sr同位素并不用于源區判斷；從圖4a中，我們發現，中美洲俯沖帶南部>6Ma大陸弧火山巖的Pb同位素明顯低于沉積物粗碎屑層位的Pb同位素特征，結合Nd-Hf同位素特征(在Nd-Hf同位素圖解中，沉積物未落在任何區域，這可能是由于前人缺乏對低Nd含量樣品開展Hf同位素測試造成的)，我們認為沉積物中的粗碎屑可能來自出露在中美洲俯沖帶南部的加勒比大火成巖省基底組分。綜上，盡管上覆板塊的鉆孔未達到基底，然而上覆板塊中沉積物中粗碎屑層位可代表上覆板塊基底組分。

4.2 中美洲俯沖帶南部物質循環模型

4.2.1 中美洲俯沖帶南部俯沖再循環組分的可能端元

俯沖剝蝕機制中，俯沖再循環物質一般包括俯沖洋殼，下伏巖石圈地幔、俯沖沉積物以及俯沖剝蝕物質(Scholl and von Huene, 2009; Straubetal., 2020)，這些再循環物質可能影響著俯沖帶島弧巖漿成因。因此，俯沖帶島弧火山巖成因的研究中，首先應明確可能的俯沖輸入端元組分。前人研究表明，中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖巖性在晚中新世時發生顯著變化，巖性由鈣堿性火山巖轉變堿性玄武巖和埃達克質巖，其組分具有類似加拉帕戈斯熱點的同位素和微量元素的特征，目前存在利用不同俯沖輸入端元來解釋該區域大陸弧火山巖巖性的變化(Abratis and W?rner, 2001; Goss and Kay, 2006; Gazeletal., 2009, 2011)。Abratis and W?rner(2001)認為厚的有浮力的無震脊(科科斯脊)俯沖在中美洲俯沖帶南部形成構造板片窗，同時俯沖科科斯脊的前緣發生部分熔融對地幔楔產生影響。隨后，Gazeletal.(2011)進一步提出板片拆沉模型，該模型認為科科斯脊俯沖造成先前俯沖的板片拆沉，致使受加拉帕戈斯熱點影響的軟流圈物質進入地幔楔，因此科科斯脊及西北側海山群對中美洲俯沖帶南部晚中新世大陸弧火山巖的形成起重要作用。以上模型均將中美洲俯沖帶南部堿性火山巖和埃達克質巖的形成與科科斯脊俯沖聯系起來，但是板塊重建和低溫熱年代學研究指出，科科斯俯沖時間不可能早于3Ma(MacMillanetal., 2004; Morelletal., 2012)。近期，對334和344航次上覆板塊鉆孔(站位U1380和U1379)的沉積層序和古地磁研究將該時間進一步確定在1.8Ma(Lietal., 2018)。因此，Morelletal.(2012)和Morell(2015)認為中美洲俯沖帶南部晚中新世火山巖巖性變化與俯沖樣式的變化有關，而科科斯脊與海山俯沖不對該時期火山巖的變化產生影響。Goss and Kay(2006)從地球化學角度證明中美洲俯沖帶南部埃達克質巖的形成與俯沖剝蝕有關。同時，Vannucchietal.(2013, 2016b)從構造地質學和地球物理的角度證明哥斯達黎加處確實存在大量的俯沖剝蝕。然而，目前造成上述爭論的主要原因是人們目前仍未直接獲得上覆板塊基底組分。本文對上覆板塊沉積物鉆孔中粗碎屑層位的研究表明，上覆板塊基底組分可能為加勒比大火成巖省基底組分。因此，目前中美洲俯沖帶南部俯沖輸入端元包含俯沖科科斯脊，俯沖海山，俯沖剝蝕地殼物質(加勒比大火成巖省基底)以及俯沖沉積物。

4.2.2 俯沖帶物質再循環及其對中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖成因的啟示

在俯沖過程中，俯沖輸入物質隨著俯沖深度的增加會釋放流體、熔體或者超臨界流體，這些物質都會加入島弧巖漿的源區，對島弧火山巖的化學組分造成影響(Spandler and Pirard, 2013; Plank, 2014; 趙仁杰等, 2020; 張澤明等, 2020)。放射性同位素通常在巖漿演化過程中不發生分餾，因此被廣泛應用于示蹤地殼和地幔之間的物質循環(Hauffetal., 2003; Carpentieretal., 2008; Chauveletal., 2009; Yanetal., 2012)。我們根據所有可能的俯沖輸入端元重新探討中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖晚中新世的巖性變化的原因，根據俯沖輸入與大陸弧輸出的同位素圖解(圖5)可以看出，中美洲俯沖帶南部晚中新世以來的大陸弧火山巖受到了加勒比大火成巖省基底端元和海山端元的影響。根據元素在俯沖過程中的行為，由于輕稀土元素(Nd)一般只在熔體中遷移(Chauveletal., 2009)，我們推測俯沖剝蝕物質以熔體的形式影響該區域大陸弧巖漿作用。不同于Gazeletal.(2011)的研究，我們選擇加勒比火成巖省基底代替俯沖科科斯脊的端元：首先科科斯脊俯沖時間存在爭議，其俯沖時間可能為更晚的更新世；其次結合Yan and Shi(2016)對344航次鉆孔獲得的科科斯脊基底巖石同位素分析，以及前人發表的同位素數據(Hoernleetal., 2000; Werneretal., 2003)，我們發現新獲得的樣品Nd同位素范圍更大，且具有更高的Sr同位素及低的208Pb/204Pb和206Pb/204Pb比值，使得科科斯脊和海山的同位素特征并不能解釋中美洲俯沖帶南部晚中新世以來火山巖的同位素組成。

圖5 中美洲俯沖帶南部俯沖輸入與大陸弧輸出物質循環同位素圖解

同時，由于特征元素在俯沖系統中具有不同的行為，也常被用于示蹤俯沖物質循環(Pearceetal., 2005; Yanetal., 2019)。在俯沖過程中，Ba等大離子親石元素在俯沖流體中遷移，而Th、Nb以及輕稀土則只在熔體中移動(Johnson and Plank, 1999)。因此，特征元素比值可以用來辨別俯沖組分(Pearceetal., 2005; Pearce and Stern, 2006; Zhangetal., 2019; Yanetal., 2019)。為了消除結晶分異的影響，利用Ba/Th示蹤富水流體，利用Th/Nd來辨別含水熔體，利用Ba/Nb來計算俯沖組分釋放的總流體(Pearceetal., 2005; Yanetal., 2019)。根據特征元素和同位素比值圖解中可以看出，俯沖沉積物對中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖產生影響(圖6a, b)；同時，在晚中新世中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖巖性發生變化時，其Th/Nd比值顯著升高，該變化可能是由于俯沖熔體組分的變化引起的(Zhangetal., 2019; Yanetal., 2019)。在所有俯沖輸入端元中，俯沖沉積物具有最高的Th/Nd比值，因此我們認為俯沖沉積物以熔體的形式對該地區火山巖產生影響，該結論與前人根據熱力學模型計算的哥斯達黎加弧下俯沖沉積物發生部分熔融的認識相吻合(Peacocketal., 2005)。盡管前人通過Be和Tl同位素的研究指出，中美洲俯沖帶南部俯沖沉積物對大陸弧火山巖的影響有限(Teraetal., 1986; Nielsenetal., 2017)，但是從特征元素比值可以看出俯沖沉積物的確參與大陸弧物質再循環過程。相對其他端元，俯沖沉積物中富集Ba、Th等特征元素，因此其加入很小的量足以影響該地區火山巖微量元素比值，但是其加入量不足以改變其同位素特征(Gazeletal., 2009; Nielsenetal., 2017; Zhaoetal.in print)。同時，我們并不能排除俯沖科科斯脊對近期中美洲俯沖帶南部火山巖的影響，但是綜合科科斯脊俯沖時間，我們推測晚中新世以來火山巖中類似加拉帕戈斯熱點的物質主要受俯沖剝蝕物質的影響(Goss and Kay, 2006)。在晚中新世(～9Ma)，巴拿馬三聯點(Panama Triple Junction)位于尼克亞半島的離岸處，由于俯沖傾角和匯聚速率變化，巴拿馬三聯點向東南遷移，由于俯沖角度的改變，俯沖板塊釋放的俯沖組分減少，造成中美洲俯沖帶南部鈣堿性火山巖的停止噴發(MacMillanetal., 2004; Morelletal., 2012; Morell, 2015)。同時，在其向東南遷移過程中造成明顯的俯沖剝蝕(MacMillanetal., 2004; Saketal., 2009)，該過程將大量的弧前物質帶入地幔楔，其與俯沖海山及俯沖沉積物共同影響中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖的巖漿過程。盡管本文從地球化學角度初步證明了俯沖剝蝕對中美洲俯沖帶南部大陸弧巖漿作用的影響，但是并未定量解釋不同端元對中美洲俯沖帶南部不同巖性火山巖的影響，未來的工作中，我們將結合非傳統同位素(Li，Ba等)共同探討中美洲俯沖帶南部俯沖循環過程。

圖6 中美洲俯沖帶南部俯沖輸入與大陸弧輸出物質循環同位素及特征元素比值圖解

5 結論

本研究對位于匯聚板塊邊緣上覆板塊弧前鉆孔中沉積物的粗碎屑層位進行了詳細的全巖主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析研究，獲得了如下三點新認識：

(1)研究中的粗碎屑層位組分可代表上覆板塊基底組分，是剝蝕型匯聚板塊邊緣中物質俯沖再循環的一個重要端元，因此，弧前鉆孔中沉積物的粗碎屑層位組分可為研究淺部和深部地幔地球化學變化提供重要線索。

(2)結合中美洲俯沖帶南部大陸弧火山巖化學組分，我們識別出了俯沖剝蝕物質對該大陸弧火山巖成因的貢獻，為俯沖剝蝕機制的存在提供了地球化學制約。

(3)自晚中新世以來，巴拿馬三聯點向東南的遷移引起中美洲俯沖帶南部弧前大量的俯沖剝蝕，可能導致俯沖剝蝕物質、海山及俯沖沉積物共同進入了大陸弧地幔源區。

致謝感謝“決心號”科學鉆探船上的全體船員、IODP-USIO技術人員以及中國IODP辦公室。在研究期間，與哥倫比亞大學Susanne Staub教授進行了有益的討論。同時，感謝兩位匿名審稿人及俞良軍老師對本文提出的寶貴修改意見。