俯冲带是地球浅表与深部圈层间物质循环的纽带。长期以来，俯冲板片物质及其释放的熔/流体和弧前地幔楔蛇纹岩及其流体等外来组分输入被认为是控制岛弧岩浆地球化学组成的主导因素。弧下地幔楔本身物质是岛弧岩浆的主要源区组成，其本身的不均一性对岛弧岩浆形成究竟发挥何种作用，始终缺乏有效的定量约束。西太平洋俯冲带发育有马里亚纳弧、伊豆弧和千岛弧等一系列典型洋内岛弧体系，是研究俯冲带岩浆成因与地幔楔演化的天然实验室。同一岛弧内部的火山前缘（Arc-front）与后弧火山（Rear-arc）之间，岩浆岩地球化学组成展现出显著差异，这些差异究竟反映了俯冲板片输入的变化，还是记录了地幔楔本身亏损程度的差异，仍是国际地学界关注的重要科学问题。

图1. 西太平洋洋内岛弧火山前缘、后弧火山及弧后盆地火山岩锌同位素组成

 针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所助理研究员杨春与李洪颜研究员、中国地质大学（北京）刘盛遨教授，以及日本JAMESTEC的Y. Tamura教授等，开展了西太平洋俯冲带火山岩锌同位素的系统研究。研究团队对来自马里亚纳弧、伊豆弧和千岛弧的62件火山前缘和后弧火山岩样品进行了高精度Zn同位素分析，并结合主-微量元素、稀土元素配分特征以及Mo同位素等多指标约束，探讨了俯冲组分输入与地幔楔亏损程度对洋内岛弧岩浆组成的控制作用（图1）。研究发现，在校正早期橄榄石和单斜辉石分离结晶影响后，西太平洋俯冲带火山前缘原始玄武岩普遍具有较低的δ⁶⁶Zn值（最低至0.17±0.04‰），其中马里亚纳火山前缘岩浆最低；相较之下，后弧火山玄武岩的δ⁶⁶Zn值系统性偏高，并整体接近弧后盆地玄武岩和正常洋中脊玄武岩（0.28±0.05‰）。进一步对比表明，西太平洋洋内岛弧火山岩的Zn同位素与Ta/Zn、Nb/Yb等反映源区亏损程度/部分熔融程度的指标显著相关（图2），而与Ba/La等常用板片流体/熔体示踪指标缺乏系统相关性（图2）。这表明，西太平洋岛弧岩浆的Zn同位素组成并未受到俯冲板片熔/流体输入的显著控制，而主要受制于弧下地幔楔自身的贫瘠状态。

图2. 西太平洋弧岩浆的Ta/Yb-Ta/Zn-δ⁶⁶Zn图解

 在此基础上，研究团队进一步阐明了地幔逐步亏损情况下，部分熔融过程中Zn同位素的分馏机制。研究指出，随着地幔源区经历熔体抽取，残余地幔由相对饱满的尖晶石二辉橄榄岩逐渐向更难熔的方辉橄榄岩演化，残余尖晶石也发生由富Al向富Cr的成分转变。由于富Cr尖晶石的Zn同位素组成偏轻（Yang et al., 2021），这种残余相矿物组成变化会引发残余相之间Zn同位素重新平衡，进而降低熔体-残余体之间的Zn同位素分馏系数。

图3. 锌同位素示踪西太平洋俯冲带沟-弧-盆体系地幔楔的亏损程度差异

 基于该认识，研究团队根据Zn同位素与高场强元素的关系计算了不同岛弧位置火山的源区亏损程度和部分熔融程度，其结果显示：马里亚纳火山前缘岩浆来源于已经历约9%—12%先期熔体抽取的亏损地幔源区，随后又发生约5%—10%的部分熔融；而后弧火山岩浆则来源于仅经历约3%—9%的地幔预先亏损，并发生约5%的部分熔融。该结果表明，在成熟的洋内弧俯冲带，火山前缘下方地幔楔并非简单的受板片物质交代的均一地幔，而是经历过多阶段熔体抽取、整体更为难熔的、不均一的地幔（图3）。

 结合马里亚纳弧—弧后盆地的构造背景，研究进一步提出，在成熟洋内岛弧体系中，弧后扩张作用是导致火山前缘下方地幔楔显著亏损的重要机制。随着弧后扩张发生减压熔融，这些已经贫化的残余地幔在地幔角流作用下向火山前缘输送，并在俯冲板片流体输入条件下触发再次熔融，最终形成具有低δ⁶⁶Zn特征的火山前缘岩浆。本研究从Zn同位素新视角出发，为地幔楔亏损程度控制岛弧火山岩地球化学组成提供了直接证据，强调在解释岛弧岩浆组成时，需要同时考虑俯冲板片输入与地幔楔不均一性的共同作用。该成果于近日发表于国际地学权威期刊《Earth and Planetary Science Letters》。本研究得到国家自然科学基金项目（42425304、42403004）、国家重点研发计划项目（2022YFF0801002）、中国博士后科学基金项目（GZB20230763、2023M743505）等资助。

 文章信息：Yang, C. (杨春), Li, H.-Y.* (李洪颜), Liu, S.-A. (刘盛遨), Tamura, Y., Smirnov, S., Ryan, J.G., Xu, Y.-G. (徐义刚), 2026. Control of mantle infertility on cross-arc geochemical diversity revealed by zinc isotope systematics. Earth and Planetary Science Letters 684, 120011. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.120011