Global IAB data excavation: The performance in basalt discrimination diagrams and preliminary interpretation
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摘要:
MORB（洋中脊玄武岩）、OIB（洋岛玄武岩）和IAB（岛弧玄武岩）是学术界最关心的3 种玄武岩类型，其中尤以与板块消减作用有关的岛弧岩浆活动备受关注。岛弧可分为洋内岛弧和大陆边缘岛弧（活动陆缘弧）2 类。对IAB 进行讨论，重点探讨IAB 的识别。IAT（岛弧拉斑玄武岩）和IAB 是前弧、岛弧和后弧岩浆作用的产物，其中，后弧组分更具多样性，它不同于弧后玄武岩，前者属于弧的范围，而后者形成的动力学过程与俯冲系统有关，但其是独立的构造单元，尽管其岩浆作用可能仍受到俯冲流体的影响。前人对IAB 进行了大量研究，提出了多种构造环境判别图解，并得到广泛应用。尝试应用全球玄武岩数据来验证上述判别图的可信度，研究发现，可信度高的判别图不多，且大多与Th、Ta(Nb)和Ti 元素有关的，如Hf-Th-Ta(Nb)、Ti-Zr-Sr 和Th/Yb-Ta/Yb 图，其余判别图的判别效果可信度低且具多解性，建议谨慎使用。IAB 与MORB 和OIB 的区别主要体现在Nb-Ta 亏损的特征上，是否受到俯冲流体的影响是区分IAB 与MORB 和OIB 最重要的标志。
Abstract:MORB, OIB and IAB (arc calc-alkaline basalt) have aroused much interest among geologists, with particular attention paid to igneous activities in island arcs related to plate subduction. Such island arcs can be divided into island arc and continental margin arc (active epicontinental arc). This paper discusses the IAB, mainly focusing on the identification of IAB. The IAT (island arc tholeiite) and the IAB are products of the fore-arc, the island arc and the rear-arc magmatism. Among them, the rear-arc is more diversified in composition and is different from back-arc (back arc):the former belongs to the scope of the arc, while the latter is related to the subduction system in the kinetics of formation; nevertheless, the back-arc is an independent tectonic unit, although its magmatism might still be affected by the subduction metasomatic fluids. Previous researchers made detailed studies of the IAB and put forward a variety of tectonic environment discrimination diagrams which have been widely used. In this paper, the authors tried to apply the global basalt data to verify the credibility of the discriminant figures. However, there only exist very few highly credible discrimination diagrams, and these figures are mostly related to Th, Ta (Nb), and Ti elements, such as the figures of Hf -Th-Ta (Nb), TiZr-Sr and Th/Yb-Ta/Yb, whereas the rest of the discriminant figures are of low credibility and characterized by multiple solutions, and hence should be used prudently. Researches show that the difference between the IAB and MORB, OIB mainly finds expression in the depletion of Nb-Ta, and this suggests that the most important criterion to distinguish the IAB from MORB and OIB is whether they are affected by subduction fluids or not.
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Keywords:
- IAB /
- MORB /
- OIB /
- data excavation /
- discrimination diagram /
- island arc /
- rear arc
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MORB（洋中脊玄武岩）、OIB（洋岛玄武岩）和 IAB（岛弧玄武岩）是学术界最关心的3 种玄武岩类型。MORB 淹没于海水下，几乎很难探测到；洋岛规模一般很小（如夏威夷、留尼旺、毛里求斯、斐济等，较大的如冰岛）；而岛弧大多出露在海平面以上，绵延几百至几千千米，有的断断续续出露在汪洋大海中，有的成为陆地，规模大，适宜人类居住。 在上述3 类玄武岩中，以岛弧成因最复杂，备受学术界关注。广义的岛弧可分为洋内弧和大陆边缘弧 （陆缘弧）2 类。洋内弧是与大洋岩石圈俯冲作用有关的、在大洋地壳基础上形成的火山弧，陆缘弧是洋壳向陆壳之下俯冲，在大陆地壳基础上形成的火山弧（如安第斯弧）。由于岛弧岩浆作用的复杂性，本文仅对IAB 进行研究，CAB（陆缘弧玄武岩）将另文讨论。前人对IAB 作了大量的研究，提出了多种构造环境判别图解[1- 21]。然而，经过多年的实践发现，上述判别图的可信度不高，且存在多解性。这应归因于IAB 成因的复杂性还是方法的可靠性？许多学者倾向于前者，因为早先的判别图大多从典型地区的玄武岩研究开始，并推广至全球，而较少考虑到IAB成因的复杂性。另外，早先的研究对于判别图的解释往往偏重于成因、逻辑思维的角度，而对因果关系的研究存在较多的争议，很难取得共识。如果用关联关系去讨论判别图，而不牵涉因果关系，可能会使问题简单化。因此，笔者不强调因果关系而强调关联关系，不重视抽样数据而重视全体数据。本文的逻辑不同于以往的研究，强调数据之间的关联关系（而非因果关系），尝试利用全体数据（而非典型和抽样的数据）验证上述构造环境判别图，探究典型数据与全体数据之间存在哪些问题，并提出初步见解，与学术界商榷。
1. 数据筛选
数据筛选是数据挖掘的前提，筛选的目的是剔除各种影响因素，使判别结果更为可信。王金荣等①对数据筛选的方法和注意事项已做了详细的介绍，本文不再赘述。在上述筛选的基础上，利用GEOROC 数据库（http://georoc.mpch- mainz. gwdg.de/georoc/ ）对岛弧玄武岩（IAB）和陆缘弧玄武岩（CAB）进行计算和作图，得出的结果与早先的认识大相径庭，仅从TiO2-FeO∗/MgO、Ti-V 和Nb/Y-Ti/Y 判别图（图 1）看，岛弧玄武岩仅部分进入岛弧范围，大部分不在岛弧区域（如Nb/ Y-Ti/Y 图）。
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图 1 IAB 和CAB 的TiO2-FeO∗/MgO、Ti-V 和Nb/Y-Ti/Y 判别图IAB—岛弧玄武岩；CAB—钙碱性玄武岩；MORB—洋中脊玄武岩；IAT—岛弧拉斑玄武岩； OIB—洋岛玄武岩；Thol—拉斑玄武岩；BABB—弧后盆地玄武岩；CFB—大陆溢流玄武岩； ALK—碱性玄武岩；VAB—火山弧玄武岩；WPB—板内玄武岩Figure 1. Discrimination diagrams of TiO2-FeO∗/MgO,Ti/V 和Ti/Y-Nb/Y for IAB and CAB为什么会出现这种情况，它是真实的吗？笔者重新检查了数据，发现GEOROC 数据库收集的汇聚板块边缘的玄武岩资料，并没有单独区分出岛弧。而汇聚板块边缘很复杂，不仅包括岛弧、陆缘弧，还包括没有被俯冲下去的弧后盆地、MORB、洋岛、海山、洋底高原等。如果靠近大陆，还可能有新生和古老的陆壳物质被卷入。此外，靠近海沟的前缘，由于伸展作用可形成近海沟的裂谷盆地，出现裂谷玄武岩，如墨西哥中部的Colima 地堑[22]。因此，如果按照数据库给出的汇聚边缘资料，很难查明岛弧的真相。笔者初步尝试的结果（图 1）无法对岛弧岩浆岩的性质做出科学的判断。依据数据库资料，大体识别出全球MORB、OIB、OPB（洋底高原玄武岩）、BABB（弧后盆地玄武岩）、CRB（大陆裂谷玄武岩）、CFB（大陆溢流玄武岩）及WPB（板内玄武岩）的特征[23-24]①②。尽管如此，仍无法了解全球岛弧玄武岩的特征。为探讨全球岛弧玄武岩的特征，必须从文献中剔除非岛弧玄武岩的数据。为此，本文收集了数据库中几乎所有岛弧的文献数据，剔除掉非岛弧玄武岩的数据。由于许多文献未讨论岩浆作用的构造环境，仅涉及岩浆岩的分布、时代、成因，尤其是众多20 世纪中期的文献，数据很少，且精确度低。因此，本文只能从有限的数据中探寻岛弧的信息并加以利用。另外，近期的某些文献，数据是可靠的，但并不关注地球化学方面的研究，所列地球化学数据不全，且大多缺少判别玄武岩构造环境的关键数据（如Nb、Ta、Th、Y、Zr 等），也给研究带来许多困难。还有许多文献不仅讨论岛弧，也讨论了弧后（如日本、汤加弧、伊豆-小笠原弧、马里亚纳弧、琉球弧、新赫布里底弧、安第斯弧等）或MORB（如小安地列斯弧、千岛弧、菲律宾海、劳盆地）或裂谷 （如墨西哥）或洋底高原、洋岛（如小安地列斯弧、汤加弧）的岩石，对于上述文献也一并予以剔除，判别是否为岛弧玄武岩，主要依据原作者的认识，对于个别原作者的结论与数据明显矛盾的情况，则以数据为依据。经过上述筛选，检查了GEOROC数据库中罗列的所有IAB文献，总计1709篇（截止到2015年 6 月），剔除非岛弧文献约309 篇（由于数据库文献有重复，上述统计不精确），以保证留下的文献全部属于岛弧（包括弧前）。GEOROC数据库记录的汇聚边缘玄武岩数据总共100195 个，经过第一次筛选剔除了67671个（大部分为中酸性火山岩和侵入岩），留下的有效玄武岩数据 32524 个，其中IAB 数据23323 个。第二次筛选针对IAB（舍弃CAB），剔除非岛弧和不能确定是岛弧的数据12393个，留下的岛弧数据10930 个。表 1 为本文所用的IAB 数据来源与数据量，图 2 为全球 IAB样品分布图。
表 1 IAB 样品的数据来源与数据量Table 1. Statistical chart of data sources and data volume of IAB samples数据来源 所有文献/篇 共下载文献/篇 确定为IAB文献/篇 数据量/个 Aegean Arc 79 37 37 435 Aeolian Arc 122 80 80 1202 Aleutian Arc 149 91 77 475 Banda Arc 24 8 8 197 Bismarck Arc-New Britain Arc 99 55 40 210 Greater Antilles 35 18 13 226 Honshu Arc 649 347 264 1285 Izu-Bonin Arc 243 136 119 1670 Kamchatka Arc 114 77 72 575 Kermadec Arc 35 26 20 27 Kurile Arc 160 93 86 614 Lesser Antilles 134 83 72 625 Luzon Arc 77 34 29 246 Mariana Arc 130 60 40 220 Mexican Volcanic Belts 232 148 105 604 New Hebrides Arc 66 33 26 413 New Zealand 154 107 103 294 Ryukyu Arc 152 81 65 296 Scotia Arc 59 27 17 135 Solomon Island Arc 20 13 12 102 Sulawesi Arc 30 17 15 146 Sunda Arc 112 67 65 663 Tonga Arc 143 66 31 261 Yap Arc 13 5 4 9 共计 3031 1709 1400 10930 2. 岛弧玄武岩（IAB）在判别图中的表现
（1）TiO2-MnO-P2O5图（图 3）。该图是由Mullen[6]设计的，用来区分5 类玄武岩形成的构造背景：玻安岩（Boninite，Bon）、钙碱性玄武岩（Calc-alkali basalt，CAB）、岛弧拉斑玄武岩（Island-arc tholeiite，IAT）、洋中脊玄武岩（Mid-ocean ridge basalt，MORB）、洋岛拉斑玄武岩（Ocean island tholeiite，OIT）和洋岛碱性玄武岩 （Ocean island alkaline basalt，OIA）。图 3 以前人发表的507 个样品为基础，其中MORB 数据130 件，IAT 数据80 件。从图 3 可以看出，本文使用的IAB 样品 7207件，大部分落入IAT区，部分进入CAB、MORB、 OIT和OIA区，表明了岛弧玄武岩成分的复杂性。而黑色粗线表示的N-MORB（正常性洋中脊玄武岩） 投图范围未进入CAB和Bon区域。
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（2）TFeO- MgO- Al2O3 图（图 4）。该图由 Pearce 等[17]利用8400 个数据（包括652 件洋底和洋脊的数据）设计的。本次研究利用了7523 件IAB 数据，几乎覆盖了各种环境区域，但大多进入洋中脊、 造山带和大陆玄武岩区，少量进入OIB 区。同时，IAB 数据有向富Al2O3 端元集中的趋势，而NMORB 数据有向富铁方向演化的趋势。
（3）TiO2-FeO∗/MgO图（图 5）。该图是Glassley[3] 在研究美国西北部华盛顿州奥林匹克半岛火山岩时作为对比提出来的，利用早先发表的若干文献构思了该图，未说明使用了多少数据。本文利用的 7505 件IAB 数据，主要落入图 4 中的IAT 和MORB 区，个别进入OIB 区。而N- MORB 主要落入 MORB 和OIB 区，很少进入岛弧区，表明该图中 FeO∗/MgO 与TiO2之间不存在相关性，明显不同于 N-MORB 的分布趋势。
（4）Zr-Ti 图（图 6）。图 6 最初是由Pearce 等[7] 提出来的，后来Pearce[16]又于1982 年对其进行了修正。从图 6 看（5393 个IAB 样品），IAB 数据几乎覆盖了各种不同环境区域。图 6 暗示，与WPB 比较，岛弧玄武岩贫Ti 和Zr。Ti 与Zr 不具相关性（NMORB 具有明显的Ti/Zr 相关性）。
（5）Ti-Zr-Y 和Ti-Zr-Sr 图（图 7）。该图是 Pearce 等[15]提出的，共使用了200 多个样品，包括岛弧拉斑玄武岩46 个，岛弧钙碱性玄武岩60 个，岛弧橄榄安粗岩6 个，洋底玄武岩82 个。Pearce 等认为，图 7 最大的优点是能够正确区分板内玄武岩与洋中脊和岛弧玄武岩。Pearce 等[9]还强调，该图区分上述玄武岩的有效率高达95%以上，是地幔不均一性的反映。本文利用的数据显示（Ti-Zr-Sr 图使用5353 个IAB 样品，Ti-Zr-Y 图使用5055 个IAB 样品），IAB 数据几乎覆盖了各种不同环境区域，表明 Pearce 等[9]对该图的评价是值得商榷的，该图最重要的识别板内和非板内玄武岩的功能，包括识别 MORB 与岛弧的功能明显失效。Ti-Zr-Sr 图的主要功能是区分洋脊和岛弧玄武岩，从Ti-Zr-Sr 图看，5353 件IAB 数据涵盖了上述全部区域。与N-MORB 的投图范围相比，IAB 样品更富Sr 含量。
（6）Nb/Y- Ti/Y 图（图 8）。该图是Pearce[16] 1982 年提出的，1984 年修改[9]。在图 8 中（4323 个 IAB 样品），IAB 数据几乎覆盖了各种不同环境区域，同时笔者的全部数据大大超过了原图的范围，说明早先采用的数据不具有代表性。N-MORB 所有样品点落在原图MORB 和VAB（火山弧玄武岩）区，几乎无样品落入WPB 区，而IAB 样品很少落入WPB区。（7）Y-Cr 图（图 9）。图 9 是Pearce[16]提出的，用以区分岛弧和非岛弧玄武岩。从图 9（4434 个IAB 样品）可以看出，Pearce 的认识突出了岛弧玄武岩贫 Y 的特征。而本文的IAB 数据几乎覆盖了各种不同环境区域，说明岛弧玄武岩的Y 含量变化很大，远远超过了Pearce 的估计，而N-MORB 数据几乎很少落入IAT 区。
（8）Hf-Th-Nb（Ta）图（图 10）。Wood[20]设计的 图 10 最大特色是利用岛弧玄武岩Th>Ta 的性质，区分岛弧和非岛弧的玄武岩。本文使用的2464 件 IAB 数据几乎覆盖了原图中IAT 和CAB 的全部区域，只有少数样品点落入其他区域。而N-MORB 的投图范围几乎很少落入IAT 和CAB 区域。与NMORB 相比IAB 具有较低的Nb 含量。因此，用该图区分岛弧和非岛弧玄武岩是有效的。（9）Zr-Zr/Y 图（图 11）。该图由Pearce 等[10]提出，用来鉴别岛弧玄武岩、洋中脊玄武岩和板内玄武岩。将Zr/Y=3 作为区分板内玄武岩与非板内玄武岩的界线。但本文研究的数据（5406 个样品）几乎落入图中的各个构造区域，部分样品落入界线外围，N-MORB 的投图范围也类似。（10）Nb-Zr-Y图（图 12）。该图由Meschede[5]设计，使用N-MORB、P-MORB（地幔柱型洋中脊玄武岩）、WPT（板内拉斑玄武岩）、WPA（板内碱性玄武岩） 4种类型的样品数据共1847个。按照本文采用的资料 （4613个样品），主要投入AⅡ、C和D区域，少量进入B 区域，N-MORB大部分都进入D区域。（11）Ta/Yb-Th/Yb 图（图 13）。该图由Pearce[16] 设计，主要是根据岛弧和非岛弧Th/Ta 值的差异而设计的。笔者的图解表明（2432 个样品），几乎所有的样品点均落入IAB、CAB 和SHO（钾玄岩）区域，很少有样品点落入MORB 和WPB 内。同时NMORB 的投图范围呈线性分布。此图对于区分岛弧和非岛弧玄武岩十分有效。
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（12）Ti-V 图（图 14）。该图由Shervais[18]设计，利用Ti/V 值区分IAT、MORB 和OIB 十分有效，且倍受研究者的青睐。但是，本文4085 个IAB 样品投入该图，几乎覆盖了全部不同的构造环境区域，有一半多的数据落入了MORB、BABB 和CFB 区，而 MORB 的投图范围也有一部分落入IAT 区。从该图也可以看出，Ti 与V 之间不存在相关性。Ti/V= 20 只能限制部分IAB。
3. 讨论
（1）IAB 在判别图中的表现
在上述判别图中，IAB 的表现不同，对于主元素判别图来说，IAB 几乎出现在各种构造环境中，因此，基本上可以认为主元素判别图已经不适用了。 这个问题对于MORB 和OIB 也是如此①②。主元素主要反映了矿物的性质与组成，依据矿物组成和成分限制玄武岩的构造环境，可信度低。
在各种微量元素判别图中，能够将IAB 与 MORB 和OIB 区分开来的是Ta-Th-Hf、Ti-Zr-Sr 和Ta/Yb-Th/Yb 图，Ta-Th-Hf 和Ta/Yb-Th/Yb 图之所以比较好，可能主要是由IAB 的Th>Ta 的关系决定的。MORB 和OIB 的Th/Ta 接近等于1，这是由MORB 和OIB 的源区性质决定的。IAB 由于受到俯冲流体及可能的俯冲沉积物的影响，主要反映在富集大离子亲石元素上，Th 是大离子亲石元素，故IAB 的Th>Ta，这可能是IAB 不同于MORB 和OIB 最重要的区别。Ti-Zr-Sr 图原先并不被看好，学术界大多青睐Ti-Zr-Y 判别图，认为IAB 的 Y 含量明显较低。但是，从Ti-Zr-Y 图看，该图无法区分开IAB 和MORB，而Ti-Zr-Sr 图则很好地区分开了MORB 和IAB，可能归功于IAB 富Sr 而 MORB 相对贫Sr 的结果（图 7）。
其余判别图（图 5—图 9、图 11、图 13）的判别效果较差，建议谨慎使用。例如Zr-Zr/Y 图（图 11），早先认为，IAB 的Zr/Y<3 可能是一个比较好的指标，全体数据投图表明，大多数IAB 的Zr/Y 大于3，说明早先的认识并不全面或不切合实际。早先认为，TFeO/MgO 与TiO2、Ti 与V 具相关性，可以作为判别图来使用。全体数据表明，Ti 的变化与V 和 TFeO/MgO 之间不存在相关性。（2）IAB 与N-MORB 的异同点
上述构造环境判别图一个明显的现象是，IAB 与E-MORB（富集型洋中脊玄武岩）在很多情况下重叠。投图表明，IAB 有很宽的成分变化范围，几乎覆盖了大部分判别图上全部的构造环境域。从图 15 看，原始地幔标准化蛛网图上IAB 接近EMORB，只是IAB 强烈亏损Nb-Ta，而E-MORB 富集Nb-Ta。此外，IAB 还明显亏损Ti，强烈富集Pb，明显富集Sr。最近，Li 等[25]利用GEOROC 数据库资料检查了不同构造环境下玄武岩(大陆溢流玄武岩、 洋中脊玄武岩、洋岛玄武岩、大洋高原玄武岩、弧后盆地玄武岩及各种类型的弧玄武岩)的Zr、Ti、V、Y、Th、Hf、Nb、Ta、Sm 和Sc 判别图，发现不同类型的玄武岩之间的重叠区域太大，在所检查的判别图中，没有一个判别图能够清楚地区分开弧后盆地玄武岩和洋中脊玄武岩、大陆溢流玄武岩、洋底高原玄武岩及其他不同类型的火山弧玄武岩(洋内弧，岛弧和陆缘弧)，这与本文的见解基本一致。
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（3）IAB 主要地球化学特征
对比MORB 和OIB，贫Ti 是IAB 的重要特征 （表 2；图 15）。IAB 亏损Ti 通常解释为俯冲流体亏损Ti（还有Nb、Ta 残留在稳定矿物金红石、钛铁矿中）造成的。另外，IAB 来自经历过不止一次亏损的地幔源区（方辉橄榄岩），因此IAB 除了亏损Ti 、Nb 和Ta，相应的还亏损高场强元素如V、P、Y 和HREE （重稀土元素）等。因此，IAB 的HREE 最低（图 15）。Pb 是陆壳中富集的元素，K 和Sr 在陆壳中比较富集，IAB 较多显示陆壳的影响，明显不同于 MORB，应该与俯冲沉积物参与岛弧岩浆作用过程有关。球粒陨石标准化REE（稀土元素）配分图也显示IAB 与E- MORB 接近的特征，二者均富集 LREE（轻稀土元素），只是富集的程度有所不同，IAB 相比E-MORB 略亏损HREE，略富集LREE。
表 2 IAB、CAB 样品主量、微量和稀土元素含量Table 2. Major,trace and rare earth element content of IAB and CAB元素 IAB CAB 数据量 平均值 中位数 ∗ SiO2 7819 51.84 52.02 TiO2 7597 1.01 0.95 0.64 0.98 Al2O3 7526 17.03 17.17 FeOT 7575 9.21 8.94 MnO 7498 0.17 0.17 MgO 7661 5.39 5.16 CaO 7545 9.42 9.39 Na2O 7576 2.88 2.85 K2O 8013 0.97 0.81 0.94 P2O5 7280 0.22 0.19 0.19 TOTAL 98.15 97.65 Cs 2513 0.59 0.43 Rb 6345 22.46 16 6.8 23 Ba 5953 285.67 224 125.6 260 Th 4048 2.06 1.38 0.405 1.26 U 3203 0.61 0.44 0.245 Nb 4811 5.55 3.3 1.041 2.7 Ta 2522 0.25 0.16 0.135 1 La 4330 13.05 9.58 3.407 Ce 4279 27.84 21.67 8.546 29.3 Pb 3475 4.49 3.88 3.696 Pr 2541 2.75 2.33 1.384 Mo 329 0.97 0.95 237.3 428 Sr 6645 420.2 381 6.7 Nd 4023 15.81 13.29 2.112 3.78 Sm 3798 3.78 3.4 45.24 71 Zr 5846 95.61 83 1.333 2.23 Hf 3091 2.38 2.14 0.761 Eu 3558 1.2 1.12 3858 5880 Ti 7597 6044 5695 2.625 Gd 2851 3.77 3.55 0.452 Tb 3103 0.64 0.61 3.045 Dy 2851 3.8 3.65 Li 999 7.97 7.44 17.59 22 Y 5500 23.1 22.62 0.662 Ho 2547 0.79 0.76 1.938 Er 2805 2.23 2.16 0.276 Tm 2118 0.34 0.32 1.908 2.31 Yb 3579 2.16 2.1 0.295 Lu 3221 0.33 0.32 87Sr/86Sr 3077 0.704117 0.703901 143Nd/144Nd 2332 0.512897 0.512943 206Pb/204Pb 1615 18.64884 18.661 207Pb/204Pb 1617 15.57673 15.565 208Pb/204Pb 1617 38.44722 38.404 注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素含量为10-6；IAB∗数据据参考文献[26-27]，CAB 数据据参考文献[15] Pearce 等[29]以马里亚纳弧盆系统为例，构建了 IAB 的四组分模式图（图 16）。该图表明，Nb-Ta 亏损的IAB 熔岩可以用图中的四组分模式来解释[29]。如果假定IAB 的原始组分为亏损的软流圈地幔（图 16 的浅绿色部分），IAB 的Ti 丰度取决于这个软流圈地幔；软流圈地幔部分熔融形成IAB 后留下的残留地幔为岩石圈地幔（浅黄色部分），以Zr、Hf、Dy、Y、Ho、Er、Tm、Yb 等高场强元素，以及Nb-Ta 的丰度表示；如果此时没有受到其他因素的干扰，IAB 的地球化学性质大体相当于EMORB 的特征（从图 16 看，为Nb-Ta 等元素包裹的浅黄色部分），显示略富集的特征；如果存在板块消减作用，俯冲脱水在消减带深部引起的部分熔融则表现为富集不相容元素 （浅粉色），蛛网图左侧元素的丰度增加，以Th、La、Ce、Pr、P、 Nd、Sm、Eu、Gd、Tb 等元素为代表；如果此时还伴有浅部的蚀变作用，则由浅蓝色的部分代表（浅蓝色），主要反映在Rb、 Ba、U、K、Pb、Sr 等大离子亲石元素丰度的增加上。因此，根据图 16 的元素变化即可了解 IAB 的主要地球化学特征。首先，IAB 的TiO2含量是至关重要的，它很稳定，不易变化，大体代表了IAB 源区的特征；其次，Nb-Ta（相对于Th 和La，而非U 和K）是否亏损，是IAB 的重要特征，显示了消减带的影响；最后，Pb、Sr、K 等元素是陆壳的强烈印记，是俯冲沉积物参与岩浆过程的表现。因此，在上述判别图中，IAB 大多亏损TiO2，但由于E-MORB 可能也来自强烈亏损的源区，因此，单纯依靠Ti，不足以区分IAB 和 MORB。因此，与Nb-Ta 有关的判别图可以较好地区分IAB 与MORB 和OIB。 如果不考虑Nb-Ta 元素，判别效果则不甚明显。
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图 16 以马里亚纳弧盆系统为代表的IAB 四组分模式图[29]Figure 16. Graphical evidence for the four-component model for the Mariana arc-basin system图 17 展示了IAB 同位素组分的变化特征[30-31]。 图 17-A 中全部IAB（2153 件样品）落入MORB 和 OIB 范围，有部分IAB 样品落入PM 范围。相对于 N-MORB 的投图，IAB 的143Nd/144Nd 值较低，而 87Sr/86Sr 值较高，为EMⅡ（Ⅱ型富集地幔）的特征。 图 17-B 中，IAB（1615 件）样品的投图范围主要落入EM Ⅱ 、MORB 及PM（原始地幔）范围（由 MORB 向EMⅡ过渡的趋势），相对于N-MORB，IAB 样品具有较高的207Pb/204Pb 值。在图 17-C 中，全部IAB（1356 件）样品部分落入原图MORB 范围，而大部分有从MORB 向EMⅡ过渡的趋势，与 N- MORB 相比，IAB 的143Nd/144Nd 值较低，而 206Pb/204Pb 值基本无变化。在图 17-D 中，全部IAB （1459 件）样品落入MORB、EMⅡ和PM 及原图的外围，与N-MORB 相比，IAB 的206Pb/204Pb 值范围较窄，而87Sr/86Sr 值较高。上述所有图件中，IAB 均未显示接近HIMU（高U/Pb 值的地幔）端元的现象，而主要显示EMⅡ的端元，反映了消减带俯冲流体的影响。
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相对于N-MORB，IAB 的高场强元素亏损，大离子亲石元素和Sr、Nd、Pb 同位素富集。这些特征表明，IAB 的源区同位素组成变化较大，但总体上比N-MORB 更加富集。87Sr/86Sr 丰度较高，说明在IAB 形成过程中受到过俯冲流体的交代，致使其大离子亲石元素和同位素表现出富集的特征。从蛛网图中看出，Cs、Ba、U、K、Pb、Sr 在流体中的活动性较强，Rb 相对Ba，Th 相对U 在流体中的活动性较弱。在同位素图解上，IAB 均表现出由 MORB 向EMII 过渡的趋势，说明流体性质与EM Ⅱ最为相似，且对207Pb/204Pb 的影响最大。
（4）关于后弧火山作用
西太平洋沟-弧-盆系统最为发育，是研究岛弧岩浆作用的最佳地区。西太平洋板块是50~45Ma期间开始消减的，形成了Izu-Bonin-Marianan 弧前玻安岩[29]，在10~15Ma期间岩浆产生的速率最快[32]。岛弧岩浆活动非常复杂，因为岛弧包括前弧、弧和后弧等不同的构造背景，俯冲带深度、消减带物质加入的程度不同，出现的岩石类型具有多样性，如前弧的玻安岩、岛弧的埃达克岩和赞岐岩、后弧的碱性熔岩等。日本的Setouchi 火成岩带是赞岐岩的发源地，形成于18~13Ma 的中新世中期，与作为弧后盆地的日本海的张开大致同时，是菲律宾海开始俯冲阶段形成的[33]。
后弧玄武岩（rear-arc basalts）是一个新的术语，是区别于弧后玄武岩（back-arc basalts）的一种新的岩石类型。后弧岩浆（rear-arc magmas）代表了弧岩浆过程的一个端元组分，有助于深入了解消减带地质过程。Kuritani 等[34]研究了千岛弧Rishiri 碱性玄武质熔岩的形成过程，创立了“rear-arc”术语，以区别于众所周知的back-arc。弧后与伸展作用有关，如马里亚纳冲绳海槽Lau 盆地。而后弧岩浆仍然属于岛弧的范畴，具有岛弧岩浆的特征。在Rishiri Volcano，俯冲深度达到约300km[35-38]。日本岛弧岩浆作用靠近海沟是低钾的，远离海沟钾含量增加，在日本本州岛的西北部，大约消减带在300km 深度以后即进入弧后地区。上述研究者考察了后弧岩浆的形成过程，包括流体-熔体熔融和减压熔融的贡献，讨论了亏损的源区地幔、蚀变洋壳的消减作用和沉积物对后弧初始岩浆的影响及其地球化学指标。但是，关于rear-arc lavas 的详细研究仍然不够，部分原因是后弧岩浆的数量有限，这是因为 rear-arc lavas 产生的速率远低于岛弧岩浆产生的速率，根据对岩浆和俯冲深度的观察，后弧岩浆中来自消减带物质的贡献远不及前弧岩浆作用[39]，表现为Sr、Ba、LREE、Pb、Th、U 的富集及230Th 的明显富集。后弧岩浆的TiO2 含量明显较高，接近NMORB 的特征，而Nb-Ta 的亏损不如弧岩浆岩明显，富碱是后弧岩浆岩的一个重要特点（图 18）。
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图 18 后弧岩浆N-MORB 标准化的微量元素蛛网图Figure 18. N-MORB normalized primitive mantle-normalized trace element patterns of rear-arc magma4. 结论
（1）采用GEOROC 数据库的资料，经过仔细筛选得出的IAB 数据是有价值的，可能给出全球IAB 的可信度较高的信息。（2）岛弧玄武岩构造判别图很多，但可信度较高的判别图主要与Th、Ta（Nb）、Ti 元素有关，如 Hf-Th-Ta(Nb)和Th/Yb-Ta/Yb 图，以及Ti-Zr-Sr 图。其余的判别图建议谨慎使用。（3）IAB 总体上接近E-MORB 的特征，IAB 与 MORB 和OIB 的区别主要体现在Nb-Ta 亏损的特征上，表明是否受到俯冲流体的影响是IAB 和 MORB，以及OIB 区分的最重要的标志。（4）通常认为，IAB 可能是IAT（岛弧拉班玄武岩）的代表，实际上，全球IAB 主要显示岛弧钙碱性玄武岩的特征（CAB），代表前弧、弧和后弧（reararc） 岩浆作用的特征。（5）后弧岩浆（rear arc magmas）的识别可能很有意义，它增加了IAB 的多样性，后弧不同于弧后 （back arc），前者属于弧的范围，后者位于弧的后面，可能受到弧的影响，但不属于弧的范畴。
致谢: 研究中得到兰州大学研究生侯克选和马骊的帮助，特此致以衷心的感谢。 -
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图 1 IAB 和CAB 的TiO2-FeO∗/MgO、Ti-V 和Nb/Y-Ti/Y 判别图
IAB—岛弧玄武岩；CAB—钙碱性玄武岩；MORB—洋中脊玄武岩；IAT—岛弧拉斑玄武岩； OIB—洋岛玄武岩；Thol—拉斑玄武岩；BABB—弧后盆地玄武岩；CFB—大陆溢流玄武岩； ALK—碱性玄武岩；VAB—火山弧玄武岩；WPB—板内玄武岩
Figure 1. Discrimination diagrams of TiO2-FeO∗/MgO,Ti/V 和Ti/Y-Nb/Y for IAB and CAB
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图 16 以马里亚纳弧盆系统为代表的IAB 四组分模式图[29]
Figure 16. Graphical evidence for the four-component model for the Mariana arc-basin system
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图 18 后弧岩浆N-MORB 标准化的微量元素蛛网图
Figure 18. N-MORB normalized primitive mantle-normalized trace element patterns of rear-arc magma
表 1 IAB 样品的数据来源与数据量
Table 1 Statistical chart of data sources and data volume of IAB samples
数据来源 所有文献/篇 共下载文献/篇 确定为IAB文献/篇 数据量/个 Aegean Arc 79 37 37 435 Aeolian Arc 122 80 80 1202 Aleutian Arc 149 91 77 475 Banda Arc 24 8 8 197 Bismarck Arc-New Britain Arc 99 55 40 210 Greater Antilles 35 18 13 226 Honshu Arc 649 347 264 1285 Izu-Bonin Arc 243 136 119 1670 Kamchatka Arc 114 77 72 575 Kermadec Arc 35 26 20 27 Kurile Arc 160 93 86 614 Lesser Antilles 134 83 72 625 Luzon Arc 77 34 29 246 Mariana Arc 130 60 40 220 Mexican Volcanic Belts 232 148 105 604 New Hebrides Arc 66 33 26 413 New Zealand 154 107 103 294 Ryukyu Arc 152 81 65 296 Scotia Arc 59 27 17 135 Solomon Island Arc 20 13 12 102 Sulawesi Arc 30 17 15 146 Sunda Arc 112 67 65 663 Tonga Arc 143 66 31 261 Yap Arc 13 5 4 9 共计 3031 1709 1400 10930 
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表 2 IAB、CAB 样品主量、微量和稀土元素含量
Table 2 Major,trace and rare earth element content of IAB and CAB
元素 IAB CAB 数据量 平均值 中位数 ∗ SiO2 7819 51.84 52.02 TiO2 7597 1.01 0.95 0.64 0.98 Al2O3 7526 17.03 17.17 FeOT 7575 9.21 8.94 MnO 7498 0.17 0.17 MgO 7661 5.39 5.16 CaO 7545 9.42 9.39 Na2O 7576 2.88 2.85 K2O 8013 0.97 0.81 0.94 P2O5 7280 0.22 0.19 0.19 TOTAL 98.15 97.65 Cs 2513 0.59 0.43 Rb 6345 22.46 16 6.8 23 Ba 5953 285.67 224 125.6 260 Th 4048 2.06 1.38 0.405 1.26 U 3203 0.61 0.44 0.245 Nb 4811 5.55 3.3 1.041 2.7 Ta 2522 0.25 0.16 0.135 1 La 4330 13.05 9.58 3.407 Ce 4279 27.84 21.67 8.546 29.3 Pb 3475 4.49 3.88 3.696 Pr 2541 2.75 2.33 1.384 Mo 329 0.97 0.95 237.3 428 Sr 6645 420.2 381 6.7 Nd 4023 15.81 13.29 2.112 3.78 Sm 3798 3.78 3.4 45.24 71 Zr 5846 95.61 83 1.333 2.23 Hf 3091 2.38 2.14 0.761 Eu 3558 1.2 1.12 3858 5880 Ti 7597 6044 5695 2.625 Gd 2851 3.77 3.55 0.452 Tb 3103 0.64 0.61 3.045 Dy 2851 3.8 3.65 Li 999 7.97 7.44 17.59 22 Y 5500 23.1 22.62 0.662 Ho 2547 0.79 0.76 1.938 Er 2805 2.23 2.16 0.276 Tm 2118 0.34 0.32 1.908 2.31 Yb 3579 2.16 2.1 0.295 Lu 3221 0.33 0.32 87Sr/86Sr 3077 0.704117 0.703901 143Nd/144Nd 2332 0.512897 0.512943 206Pb/204Pb 1615 18.64884 18.661 207Pb/204Pb 1617 15.57673 15.565 208Pb/204Pb 1617 38.44722 38.404 注：主量元素含量单位为%，微量和稀土元素含量为10-6；IAB∗数据据参考文献[26-27]，CAB 数据据参考文献[15]
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