俯冲板片与上覆板块之间的相互作用决定了地震分布、地幔流模式、上覆板块应力和岩浆的地球化学特征。海岭（包括扩张洋中脊、无震海岭、洋底高原和残余弧脊）广泛分布于现代大洋，其面积约占现代大洋地壳总面积的30%。它们均可沿着汇聚板块边缘发生俯冲作用。相比于正常大洋地壳，海岭具有更高的地形和更低的密度。因此，前人数值模拟和地球物理观测结果均表明，相比于正常大洋板片的俯冲作用，海岭俯冲会产生更低角度的俯冲作用。然而，低角度海岭俯冲是如何影响弧岩浆的地球化学特征仍不清楚。位于西南太平洋的Vanuatu岛弧受到了D’Entrecasteaux海岭的俯冲（图1a），因而是探索上述问题的理想区域。

图1 现今Vanuatu和古老的Vitiaz岛弧地质、地球物理和地球化学图解

针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室大地构造学（含地热学）学科组博士生邓晨与英国及本所科研人员合作，通过系统收集Vanuatu岛弧火山岩的地球化学数据，并结合现代地球物理观测结果和三维数值模拟结果，发现D’Entrecasteaux海岭低角度俯冲产生的推土机效应导致（1）Vanuatu岛弧岩浆Sr-Nd同位素沿纬度的系统性变化，和（2）D’Entrecasteaux海岭低角度俯冲导致俯冲板片发生撕裂，异常热的软流圈沿着撕裂的板片上涌，从而熔融处于“冰冻状态”的弧前地幔，形成高Sr-P-Cu和高氧逸度的弧前岩浆。

图2 Vanuatu岛弧岩浆的同位素和微量元素随纬度变化图解

根据样品的大地构造位置和火山距离俯冲板片的深度，将Vanuatu岛弧火山岩进行分组对比研究。结果表明，Vanuatu岛弧火山岩存在如下两个地球化学特征：（1）相比于北部和南部块体火山样品的Sr-Nd同位素，中部块体火山样品具有更高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd（图2a、图2b）；（2）相比于Vanuatu主弧和远弧岩浆，原始弧前岩浆具有更高的Sr/Y、P/Nd、V/Sc比值和Cu含量（图2c、图2d和图3）。

图3 Vanuatu岛弧岩浆微量元素和MgO二元图解

以上特征说明，弧前火山的原始岩浆具有更高的Sr和P。V/Sc和Cu元素的地球化学模拟进一步表明，Vanuatu弧前火山的地幔源区具有更高的氧逸度和更高的Cu含量。由此提出，俯冲板片在弧前深度释放含有高Sr-P-Cu-SO₂的流体，强烈交代弧前地幔楔，形成富Sr-P-Cu-SO₂和高氧逸度的弧前地幔源区。在正常俯冲作用下，弧前地幔由于“太冷”而难以发生部分熔融。由于D’Entrecasteaux海岭俯冲导致俯冲板片发生撕裂（图1b），因而俯冲板片之下异常热的软流圈地幔物质沿着撕裂的俯冲板片上涌，就能提供熔融处于“冰冻状态”的弧前地幔所需的热（图4），从而形成具有异常地球化学特征的弧前高铜岩浆。Vanuatu弧前火山具有富矿斑岩体典型的地球化学特征（Loucks, 2014），暗示“冷的”弧前地幔源区熔融也可以成为斑岩铜矿的理想的成矿原始岩浆。

图4 Vanuatu岛弧地球动力学模式图

研究成果发表于国际学术期刊JGR-Solid Earth (邓晨^*, Frances Jenner, 万博,李继磊. The Influence of Ridge Subduction on the Geochemistry of Vanuatu Arc Magmas [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127: e2021JB022833. DOI: 10.1029/2021JB022833)。