冲绳海槽火山岩系

1.火山岩时空分布

冲绳海槽的火山活动以双峰式玄武岩-英安岩喷发活动为主要特征。以英安岩为主的长英火山岩系是双峰岩石组合的主体，同成分的灰白色浮岩和火山碎屑岩覆盖海槽的大部分地区。岩心剖面揭示，浮岩层多达数层，厚达250余米（翟世奎等，2001）。玄武岩规模显著减小，仅见于海槽南部与那国海底洼地、八重山海底洼地和海槽中部伊平屋和伊是名等地（图2-3；李巍然等，1997）。

同位素测年资料表明（表2-1），冲绳海槽的火山活动始于晚更新世，至今仍处在活动之中。特别是自70ka以来，至少还发生了3次较大规模的火山喷发，第1次在7万年前左右，第2次在3万年前，最近的1次喷发距今1万年左右，形成了遍布全区的浮岩层和含火山碎屑物质的沉积层。

2.火山岩岩石地球化学特征

前人已对冲绳海槽火山岩的岩石地球化学分别做了系统的研究（翟世奎等，1995、1997;2001；李巍然等，1997；陈丽蓉等，1993;Kimura et al.,1988;Shinjo et al.,1999、2000）。这里，仅简要将其岩石地球化学特征概述如下。

（1）玄武质火山岩

主要元素化学特征

按国际地科联1989年推荐的分类方案，冲绳海槽玄武岩系可划分为玄武岩、玄武安山岩和安山岩。其中，玄武岩和玄武安山岩为玄武质岩系主体。不同作者都曾对玄武岩系的岩石系列进行过划分，均表明该玄武岩系介于拉斑系列与钙碱性系列之间，具有过渡性特征（图2-4）。这亦与其产出环境既不同于岛弧、又不同于洋中脊是相吻合的。与大洋中脊玄武岩（MORB）和弧后盆地玄武岩（BABB）相比，冲绳海槽玄武岩比MORB高Al2O3、低FeO和TiO2，而总体上类似于BABB，更接近于马里亚纳海槽玄武岩，后者是一种典型的弧后扩张盆地岩浆产物。

微量元素和REE特征

冲绳海槽玄武岩的REE配分型式以LREE弱富集型为特征，与长英质火山岩端员——英安岩相比，两者具有类似的REE组合型式（图2-5）。冲绳海槽玄武岩的（Ce/Yb）N=2.21～3.61，δEu=0.60～0.80，长英质火山岩的（Ce/Yb）N=1.66～3.40，δEu=0.60～0.80。这种类似的REE配分型式和明显差异的δEu，证实两者可能存在同一岩浆不同程度的结晶分异关系。

图2-3　冲绳海槽火山岩类型与空间分布图（据李巍然等，1997年，略修改）

表2-1　冲绳海槽的火山岩岩石年龄测定结果

图2-4　冲绳海槽火山岩的硅-碱图

图2-5　冲绳海槽火山岩REE配分型式

冲绳海槽玄武岩与典型的岛弧火山岩在微量元素配分型式（NAP）上表现出一定的类似性（图2-6），主要体现在：相对富集大离子不相容元素LILE（Rb、Ba、K），而亏损高场强元素HFSE（Nb、Ta、Zr、Hf、Ti），通常富集元素Pb和Th（图2-6）。LILE、Pb和Th的相对富集，反映其岩浆源区遭受了来自俯冲板片的脱水流体的交代作用，因为在俯冲板片脱水过程中，相对活跃的元素LILE和Pb、Th等将活化进入脱水流体中。HFSE在岩石中相对亏损，反映岩浆源区因流体交代而相对富水，在此情况下，富含HFSE的金红石将在部分熔融过程中保持稳定而得以残留。

图2-6　冲绳海槽玄武岩NAP图

Aguni Graben:1—JCD-3;2—BIA;Iheya Graben:3—CB622;4—CB623;Dive230:5—AIA;6—AIB;Dive233:7—A6

同位素地球化学特征

图2-7展示了冲绳海槽火山岩的Sr-Nd同位素组成。这些火山岩显然以相对较高的87Sr/86Sr和相对较低的143Nd/144Nd值区别于典型的MORB，证实其源区不是产生在MORB的亏损上地幔或软流圈中。同时，它们亦不同于琉球岛弧及火山前缘的火山岩，后者在相同的143Nd/144Nd比值下以相对较大的87Sr/86Sr值为特征（图2-7），暗示其源区可能受到来自俯冲带的组分影响。中部海槽的火山岩多处于洋岛玄武岩（OIB）型西太平洋边缘盆地玄武岩（WPMBB）区内（Hichey-Vargas et al.,1995），表明玄武岩普遍具有较高的Nd和较低的Sr同位素值。两者在同位素组成上的类似性暗示，形成冲绳海槽玄武岩的岩浆源区，与E-MORB或OIB源区具有一定类似性。显然，这种源区可能在受到俯冲带混染前，是相对富集的上地幔。这种富集地幔是否与地幔热柱作用有关，尚不能确定。然而，正如第四章所述，冲绳海槽热水系统中的地幔氦特征与地幔热柱来源的氦相当，这种可能性是不能被排除的。

沿冲绳海槽，玄武岩的Sr-Nd同位素组成显示出系统而显著的差异性。与中部海槽相比，南部海槽87Sr/86Sr较高，但143Nd/144Nd不变，海槽南端龟山岛（Kueishantao）的安山岩则不仅87Sr/86Sr增高，而且143Nd/144Nd大幅度降低（图2-7）。这种同位素地球化学差异性表明，冲绳海槽不同地段的岩浆源区可能遭受了不同程度的俯冲带组分的影响。其中，中部海槽受影响程度最小，南端最大，正如Chen等（1995）所证实的那样，海槽南端岩浆源区不仅混染了俯冲带组分，而且岩浆中还混入了大约30%的台湾陆块地壳物质。

图2-7　冲绳海槽火山岩143Nd/144Nd与87Sr/86Sr关系图（据Hichey-Varges et al.,1995）

OIB—洋岛玄武岩；WPMBB—西太平洋边缘盆地玄武岩；MOT—冲绳海槽中部火山岩；SOT—冲绳海槽南部玄武岩；ARG—岛弧中部Aguni群火山岩（6～4Ma）;AGG—岛弧中部Aradake群火山岩（21～13Ma）

（2）长英质火山岩

岩石学特征

长英质火山岩以浮岩居多，熔岩和火山碎屑岩次之。这些酸性浮岩呈面状分布，垂向加积。灰白色浮岩的SiO2介于68.8%～71.3%之间，成分相当于流纹岩和英安岩。按照斑晶矿物，可定名为紫苏辉石流纹英安浮岩和斜长石流纹英安浮岩。浮岩含两个世代的斑晶矿物组合（翟世奎等，2001）。早世代斑晶组合为橄榄岩、辉石、基性斜长石和少量磁铁矿，其中，橄榄石为透铁橄榄石，辉石分富镁的斜方辉石和单斜辉石，基性斜长石的An值变化于39%～78%之间（翟世奎等，2001）。这套斑晶组合显然应结晶于更为基性的岩浆岩系。辉石斑晶和基性斜长石斑晶普遍存在熔蚀现象，基性环带斜长石中心还出现熔蚀残留核，反映该斑晶组合经历了结晶—熔蚀—再结晶的复杂过程，同时反映这些斑晶与长英质岩浆处于非平衡状态。晚世代斑晶组合为酸性斜长石、石英和黑云母，该组合基本代表了长英质岩浆接近地表或岩浆喷发过程中的结晶产物。早晚两个世代的斑晶矿物组合***存于酸性浮岩之中，暗示岩浆演化过程中曾发生一定程度的岩浆混合或混染作用。

地球化学特征

翟世奎等（2001）报道了岩浆浮岩的主要元素、微量元素和REE的分析数据。这些浮岩的主要化学成分反映岩石属典型的钙碱性系列，与日本岛弧典型的钙碱性弧火山岩类似。其高场强元素（Nb、Ta、Zr、Hf、U等）的丰度特征，反映长英质岩浆具有汇聚板块边缘的火山岩岩浆亲合性。浮岩的Sr变化于（17～151）×10-6间，Rb变化于（44.7～117）×10-6。按岩浆Sr-Rb含量与岩浆起源的地壳厚度关系估算，大部分浮岩起源的地壳厚度在20～30km之间，与地球物理探测的地壳厚度相吻合。

系统对比岩心浮岩地球化学剖面，可以发现，从表层浮岩向下部至底层浮岩，岩石的SiO2系统增高，而FeO、TiO2、CaO则系统降低，与之相对应，La、Rb、Ba、Th等元素含量亦随之明显递增。这种系统的地球化学变化，暗示长英质岩浆喷发前，在岩浆房内是成层的。这种层状岩浆房具有明显的垂向分带：顶部岩浆偏酸性，Rb、Ba、La、Ce等因分异作用而相对富集；底部岩浆相对偏中性，或许是岩浆分异较弱，或许是由于不断有深部岩浆补给，Rb、Ba、La、Ce等相对较高。如果这个推论正确，从层状岩浆房顶部喷发的酸性浮岩可能含有更多的水以及Pb、Zn等成矿元素。如果层状岩浆房顶部分凝出游离的岩浆水流体，那么，早期喷发将会使岩浆水流体率先注入海底热水流体系统中，并对海底热水成矿产生较大影响。

图2-8　冲绳海槽火山岩的MgO-87Sr/86Sr比值相关关系图（据Shinjo et al.,1999）

MOT为冲绳海槽中部火山岩；ARG和AGG为岛弧火山岩系

Shijo等（1999）报道了冲绳海槽双峰岩石组合的Sr-Nd同位素组成。长英质端员——英安岩和流纹岩的143Nd/144Nd变化于0.5128～0.5129之间，87Sr/86Sr变化于0.7040～0.7045之间，镁铁质端员——玄武岩的143Nd/144Nd（0.5127～0.5129）和87Sr/86Sr（0.7039～0.7045）几乎与之一致，有力地证实长英质-镁铁质岩浆拥有相同的地幔源岩，并具有密切的成因关系。图2-8展示了冲绳海槽中部火山岩的87Sr/86Sr与Mg关系，这些岩浆所展现的MgO显著降低，与87Sr/86Sr比值近乎不变的趋势，表明镁铁质岩与长英质岩之间存在明显的结晶分异关系，尽管地表物质混染可能对长英质岩浆产生轻微的影响。