高镁安山岩包括埃达克岩、皮波型高镁安山岩、赞岐岩、玻安岩和巴哈岩等。它是指以MgO＞5%、FeOT/MgO＜1.5、Al₂O₃＜16%和CaO＜10%为特征的安山岩(Tatsumi，2001)。前人已对高镁安山岩做了大量的研究(Benoit et al，2002; Martin et al，2005; Guivel et al，2006; Pallares et al，2007; Wang et al，2008b)，但高镁安山岩的成因多样、没有定论。能产生高镁安山岩的地质背景不是单一的，如热的俯冲带、年轻的洋壳俯冲区域或有热软流圈物质注入的俯冲板片边缘(Pe-Piper et al，1994; Shinjo，1999; Yogodzinski et al，2001); 能形成高镁安山岩的地质作用过程也是多样的，如含水地幔橄榄岩部分熔融(Kushiro，1969;Mysen et al，1975; Baker et al，1994，1995; Hirose et al，1995; Hirose，1997)、含尖晶石的富集二辉橄榄岩部分熔融(Hirose et al，1995; Hirose，1997; Blatter et al，2001)或俯冲洋壳释放的含水流体加入到地幔楔中而引发地幔橄榄岩部分熔融等(Crawford et al，1989;Tatsumi et al，1989)。并且，高镁安山岩在现代地球上的出露相当稀少(唐功建等，2010)，且采样困难，以至样品不足、研究不够充分，因此，获得高镁安山岩并对其进行研究尤为重要。火成岩的主微量元素组成可反映不同地质作用过程; 放射性成因同位素组成的初始比值能够准确地限定其源区的性质(Rollinson，1995)。因此，广大学者使用主微量和同位素来研究高镁安山岩的成因(Wang et al，2007a; Hoang et al，2009;Liu et al，2010; Wang et al，2011; Chen et al，2012; Xu et al，2012)。东马努斯高镁安山岩主微量和同位素的研究不仅可以在样品数量上对前人数据加以补充，更能在研究区域上补充一个新的产生高镁安山岩的地区。

东马努斯盆地位受到太平洋板块与所罗门板块双重俯冲的影响，岩浆作用复杂。该盆地发育的高镁安山岩并没用引起学者们的注意，Sinton等(2003)、Beier等(2010)和Park等(2010)通过全岩主微量和同位素对东马努斯盆地岩浆物质来源及演化过程进行了分析，分析包括俯冲物质来自于哪个板块、岩浆是否受到了俯冲加水作用的影响、俯冲物质包括哪些类型等。然而他们仅将其当成普通火山岩来分析，并没有当作特殊的高镁安山岩来研究其与地幔橄榄岩的关系。本文首次通过分析东马努斯盆地高镁安山岩的全岩主微量和Sr-Nd-Pb 同位素，并结合前人数据，探究了高镁安山岩的物质来源和演化过程。

1 地质背景与样品采集

马努斯盆地是位于南太平洋的新不列颠和新爱尔兰火山岛弧之间快速扩张的弧后盆地(Taylor，1979)。如图 1所示，盆地位于太平洋板块与俾斯麦板块边界，其板块运动区域主要集中在3 个左行的转换断层带上，即Willaumez 断层、Djaul 断层和Weitin 断层(Martinez et al，1996)。

马努斯盆地的板块运动发生在40Ma 之前，大约在渐新世时期，太平洋板块沿着马努斯海沟向西南方向俯冲，俯冲成因的岩浆作用导致了新爱尔兰岛和一部分新不列颠火山岩形成。大约在10Ma 时，翁通爪哇高原与马努斯海沟相撞，导致了太平洋板块的转向。随后，所罗门板块开始向北俯冲，产生了一系列的达清夫-贝利奥夫带，并沿俯冲带形成了长条状的新不列颠火山岛(Exon et al，1986; Woodhead et al，1998; Phinney et al，1999)。大约在2-3Ma 时，马努斯盆地开始扩张，并形成了马努斯扩张中心、Willaumez、Djaul 与Weitin 转换断层和断层之间的无数小裂谷(Kamenetsky et al，2001)。

东马努斯盆地位于俾斯麦海的东部，夹在Djaul 断层和与Weitin 断层之间，由一系列雁列式火山脊和海底火山穹窿(称为东马努斯火山区)组成，是马努斯盆地最年轻的弧后扩张区(图 1)。该区的岩石类型包括玄武岩、玄武质安山岩、安山岩、英安岩、流纹质英安岩和流纹岩(Binns et al，1993; Kamenetsky et al，2001; Sinton et al，2003)。通过分析，该区部分安山岩[Sinton等(2003)中的样品16-9、16-14和Kamenetsky等(2001)的样品MD43]属于高镁安山岩。并且经过大量数据收集，发现前人数据中仅有这三个样品为高镁安山岩。

样品采于“科学号”考察船201501 航次，采样工具为水下机器人，采样区为东马努斯盆地的Desmos 热液区(图 1)。两个岩石样品分别编号为M6(9)和M5(13)，M6(9)采自151°52′39.857″E，3°42′21.744″S，M5(13)采自151°52′40.623″E，3°42′7.707″S。

2 样品描述与分析方法

样品手标本照片如图 2所示，两块岩石样品都很新鲜，呈黑色，隐晶质结构，致密块状构造，均含有大量小气泡。样品M5(13)还具有冷凝边。

虽然样品新鲜，没有受到海水蚀变的影响，但我们还是在化学成分测定之前对其进行了前处理。首先用超声波清洗仪对样品进行了仔细的清洗。然后将它们浸泡在无水乙醇中水浴加热一段时间，达到去除有机质的目的。接着将它们浸泡在盐酸中水浴加热一段时间，达到去除沉积碳酸盐的作用。之后再将它们泡在超纯水中，直到样品中的氯离子去除完毕。最后，把样品烘干并用玛瑙钵体研磨成200 目大小的粉末(黄朋，2005)。在整个前处理的过程中，使用的器具是干净并且干燥的。

样品全岩主量元素的测试分析工作在中国核工业北京地质研究院完成，使用的仪器为传统X 荧光光谱(Phillips PW1480)。全岩微量元素的测试工作在中国科学院海洋研究所完成，使用的仪器为ICP-MS(ELAN DRC II)，微量元素的测量精度在5%-10%以内，测试过程中采用BCR-2和GSR-3 作为标准样品。Sr-Nd-Pb 同位素测试工作在中国科学院广州地球化学研究所使用Finnigan 公司的MAT262 质谱仪完成。标样分析结果: NBS987 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.710254(±0.00014，2δ)，BHVO-2 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd=0.512989(±0.00008，2δ)。NBS981 ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb，²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb 比值分别为16.9426(±0.0004，2δ)，15.4980±0.0008，2δ)和36.7284(±0.0024，2δ)。

3 结果 3.1 主量元素特征

样品主量元素含量见表 1。由全碱-SiO₂ 图解(图 3a)可知，样品M6(9)与M5(13)均为玄武质安山岩。K₂O-SiO₂图解(图 3b)显示，样品属于中钾钙碱性系列的钙碱性岩类。M6(9)和M5(13)的MgO 含量分别为5.30%和5.54%，FeOT 含量分别为8.35%和8.22%，FeOT/MgO 比值分别为1.575和1.484，Al₂O₃ 含量分别为15.77%和15.82%，CaO 含量分别为9.22%和9.28%。基本符合Tatsumi(2001)提出的高镁安山岩的特征。哈克图解(图 4)可能显示了一个矿物分离结晶的过程。随着SiO₂ 含量的升高，CaO、FeOT和MgO的含量逐渐降低(图 4b，c，e)，说明分离结晶的矿物可能为橄榄石和辉石。Al₂O₃、TiO₂和P₂O₅ 的含量在SiO₂含量大于60%以后也逐渐递减(图 4a，g，h)，说明当SiO₂ 含量大于60%以后，斜长石、钛铁矿和磷灰石也开始分离结晶。

3.2 微量元素和稀土元素

样品的微量元素含量见表 2。球粒陨石和N-MORB 标准化的REE(稀土元素)图解(图 5a，b)显示出东马努斯高镁安山岩右倾型的分布特征，说明高镁安山岩轻稀土元素(LREEs)相对富集、重稀土元素(HREEs)相对亏损。样品M5(13)和M6(9)的Ce_N/Yb_N分别为3.0031和3.3039。M5(13)和M6(9)的ΣREE 分别为36.93和36.88ppm，具有幔源特征(李昌年，1992)。原始地幔标准化的蛛网图(图 6)显示了Pb和大离子亲石元素(LILEs，如K，Rb，Sr，Ba，U)富集、高场强元素(HFSEs，如Th，Nb，Ta，Ti)亏损的特征。

3.3 Sr-Nd-Pb 同位素

Sr-Nd-Pb 同位素组成如表 2所示。两个高镁安山岩样品的同位素组成基本一致，M5(13)和M6(9)的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 分别为0.703689和0.703785，¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 分别为0.513055和0.513030，²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb 分别为18.771和18.760，²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb 分别为15.544和15.543，²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb 分别为38.402和38.392。由¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd- ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 组成(图 7)可知，东马努斯盆地高镁安山岩的同位素组成接近于PREMA 地幔。东马努斯盆地火山岩的¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd-²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb，²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb-²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb和²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb-²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb 组成(图 8a，b，c)显示出东马努斯盆地高镁安山岩的同位素组成与太平洋MORB 相似。

4 讨论 4.1 地幔源区性质

弧后盆地在板块俯冲的作用下受到拉力作用，盆地打开，软流圈上涌。该过程属于减压过程，能导致软流圈地幔部分熔融，产生岩浆。由于软流圈地幔基本上是均一的，并且其同位素组成在岩浆演化的过程中保持不变，而马努斯MORB 与东马努斯高镁安山岩均由软流圈地幔熔融、演化产生，所以在没有受到俯冲物质影响之前，东马努斯高镁安山岩地幔源区的同位素组成应当与马努斯MORB 的同位素组成一致。然而由图 8可知，马努斯MORB 的同位素组成与印度洋MORB 相似，东马努斯高镁安山岩的同位素组成与太平洋MORB 相似。这说明东马努斯岩浆的同位素组成原本与印度洋MORB 相似，却由于受到俯冲物质的影响，变得与太平洋MORB 相似。¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd-⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 组成(图 7)显示，马努斯MORB和东马努斯高镁安山岩的Sr-Nd 同位素组成与PREMA 相似，说明岩浆可能来源于PREMA 地幔。

4.2 物质来源 4.2.1 端元组分

东马努斯盆地玄武质安山岩M6(9)、M5(13)及三个前人样品均属于高镁安山岩，但它们不属于典型的埃达克岩、玻安岩、巴哈岩、赞岐岩和皮波型高镁安山岩(图 9)。在过去的几十年中，很多学者对高镁安山岩的成因进行探究，发现高镁安山质岩浆属于地幔来源，由含水地幔橄榄岩部分熔融(Tatsumi，1982; Tatsumi et al，1982; Baker et al，1994; Hirose，1997)、熔体与地幔相互作用(Kelemen，1995; Yogodzinski et al，1995; Shimoda et al，1998)或地幔橄榄岩熔体与下地壳酸性岩浆混合(Guo et al，2007; Streck et al，2007)产生。其中高镁安山岩的高Mg 含量与地幔橄榄岩有关(Hirose et al，1995; Hirose，1997; 唐功建等，2010)，因此，地幔橄榄岩可以作为东马努斯盆地高镁安山岩的一个端元。蛛网图(图 6)按照元素的不相容性给出了微量元素的富集与亏损特征，其中Pb和大离子亲石元素(K，Rb，Sr，Ba和U)富集、高场强元素(Nb，Th，Ta，和Ti)亏损，已知俯冲板片脱水、陆源沉积物和大陆地壳都有这样的特征(田丽艳等，2003; White，2013)，但东马努斯盆地的俯冲类型为洋-洋俯冲，不受陆壳的影响，因此认为东马努斯高镁安山岩的形成与板块脱水作用相关。脱水成分可能只来自于俯冲洋壳物质也可能伴随着海底沉积物的影响。ε_Nd-Ba/Nb，ε_Nd-La/Nb，ε_Nd-Nb/Th 比值图(图 10)显示东马努斯高镁安山岩的脱水成分主要来自俯冲洋壳。Rb/Cs-K/Ba(图 11a)和Rb/Cs-K/Ra(图 11b)比值图显示，高镁安山岩的碱性元素比值靠近或包含在海底沉积物范围内，说明岩石还受到了海底沉积物的影响。

因此，东马努斯高镁安山岩端元组分主要由地幔橄榄岩、俯冲洋壳脱水物质和海底沉积物三部分组成。

4.2.2 端元模拟

将地幔橄榄岩、俯冲的蚀变洋壳和俯冲的海底沉积物作为东马努斯盆地高镁安山岩的三个端元，计算各端元对该区火山岩的贡献。地幔橄榄岩的同位素比值与本区的MORB 一致，因此，马努斯MORB 可作为东马努斯高镁安山岩的一个端元。太平洋板块和所罗门板块均俯冲在马努斯盆地下方，俯冲物质来自于哪个板块还存在争议。Woodhead等(1998)研究了新不列颠岛弧岩浆，发现该岩浆沿着贝利奥夫带连续演化，认为它们受到正在活动的所罗门板块俯冲加水作用的影响。Sinton等(2003)采集了东马努斯盆地受俯冲板片脱水作用影响的岩石样品，发现它们的地球化学性质与Woodhead等(1998)中贝利奥夫带的F、G 区相似，认为该样品也受到了所罗门板块俯冲作用的影响。然而Park等(2010)采集了东马努斯盆地Pacmanus、Desmos和Susu 区域的样品，发现其地球化学性质沿着太平洋板块俯冲方向是连续变化的，说明东马努斯盆地岩浆受到太平洋板块的影响。并且在它们与新不列颠岛弧岩浆之间找不到明显的规律，它们也并不在之前提到的G 区域内。说明东马努斯盆地俯冲成分并非源于所罗门板块。本文认为Park等(2010)的论述更为合理，因此，选择太平洋板块的蚀变洋壳物质和海底沉积物作为东马努斯盆地高镁安山岩的另外两个端元。

以这三个端元为基础来模拟Sr-Nd 同位素组成混合过程，结果见图 12，图中可知高镁安山岩的蚀变洋壳与海底沉积物的比值约介于63∶37 到99.5∶0.5之间，这二者的总含量与马努斯MORB 的比值约为12∶88。

4.3 演化过程

高镁安山岩可能来源于玄武岩与地幔橄榄岩相互作用、地幔橄榄岩部分熔融或含尖晶石的富集二辉橄榄岩部分熔融等(Hirose et al，1995; Hirose，1997)。由于东马努斯盆地高镁安山岩强烈地受到了板块俯冲脱水作用的影响(图 10)，并且Kamenetsky等(2001)测出东马努斯火山岩的水含量为0.99wt%-1.61wt%，因此，推测东马努斯高镁安山岩是流体交代的地幔楔部分熔融形成的。

图 8显示，从酸性到基性，所有东马努斯火山岩的同位素组成基本一致，说明俯冲物质与岩浆的混合发生在源区，属于源区混染，岩浆在喷发上涌的过程中没有受到俯冲物质的加入，也没有发生同化混染作用。

哈克图解(图 4)中，主量元素含量随岩浆演化程度升高而逐渐降低的特征可能反映了矿物分离结晶的过程，但这仅仅是猜测，岩浆的部分熔融也会产生同样的结果。由La-La/Sm 图解(图 13)可知，随着La 含量的升高，La/Sm 比值保持不变，这说明岩浆演化过程不是由部分熔融控制，而是由矿物的分离结晶主导。

5 结论

结合前人的测试数据，得出了以下结论:

(1) 东马努斯盆地高镁安山岩具有Pb和大离子亲石元素(K，Rb，Sr，Ba，和U)富集、高场强元素(Nb，Th，Ta和Ti)亏损的特征，说明俯冲板块脱水作用产生了大量的含水物质注入到岩浆源区，推测该岩石是流体交代的地幔楔部分熔融形成的。

(2) 由Sr-Nd-Pb 同位素特征可知，东马努斯盆地高镁安山岩可能来源于PREMA 地幔，地幔源区同位素组成原本与印度洋MORB 相似，由于受到俯冲板块脱水作用的影响，现与太平洋MORB 相似。

(3) 东马努斯盆地高镁安山岩主要来源于马努斯MORB、太平洋蚀变洋壳和海底沉积物。高镁安山岩的蚀变洋壳与海底沉积物的比值约介于63∶37 到99.5︰0.5 之间，这二者的总含量与马努斯MORB 的比值约为12∶88。

(4) 岩浆混合作用发生在地幔源区，属于源区混染，岩浆在喷发上涌的过程中没有同化混染围岩物质也没有加入俯冲物质。岩浆在演化过程中只发生了矿物的分离结晶，分离的矿物可能为橄榄石、辉石、斜长石、钛铁矿和磷灰石。

致谢 感谢中国科学院广州地球化学研究所曾文、核工业北京地质研究所刘牧及中国科学院海洋研究所殷学博在样品测试中的帮助，感谢科学号201501航次的船员们在采样过程中的帮助，感谢所有老师与同学给予的支持。