溝(Ryukyu Trench)、琉球島弧(Ryukyu Arc)與沖繩海槽(Okinawa Trough)，依序代表 隱沒系統中的海溝(trench)、火山弧(volcanic arc)以及弧後盆地(back arc basin)。琉 球島弧呈東北西南走向，由北至南可再細分四個區域：九州南部(South Kyushu)、
琉球北部(North Ryukyu)、琉球中部(Central Ryukyu)與琉球南部(South Ryukyu)，最 北的兩個區域以海陸為界；琉球北、中與南部則分別以慶良間水道(Kerama Gap)與 圖克拉海峽(Tokara Strait)區隔開來(Isozaki and Nishimura, 1989)（圖 3-2），四個區 域的地質條件與岩漿活動各有異同，將詳述於本章節3-1、3-2、3-3 與
3-4．
3-1 琉球隱沒系統
現今，琉球隱沒系統在地體構造上由北到南有一系列的變化（圖3-2）：一、菲
律賓海板塊相對歐亞板塊的聚合速率由琉球北部 5.7 cm/yr 遞增到琉球南部 7.1 cm/yr(Seno et al., 1993)；二、板塊聚合角度在九州南部與琉球北部大致與海溝正交，
中、南部琉球則呈現斜交(Seno et al., 1993)；三、地殼厚度由九州南部約 30 公里，
減少為琉球北部約25 公里(Iwazaki et al., 1990)；四、藉由班尼奧夫帶的分布可知，
隱沒傾角由九州南部到琉球南部漸緩(Letouzey and Kimura, 1986; Ishihara and Yoshida, 1992)。
圖 3-1 琉球島弧與周遭的地質單元(Taira et al., 2016)。琉球島弧以九州–帛琉脊 (Kyushu-Palau Ridge)為北界，菲律賓海板塊上散佈著現今已未活動的洋脊、島弧與 海盆等地質單元(Hilde and Lee, 1984)。
圖3-2 琉球島弧的地體構造(Shinjo et al., 1999)。黑色三角形為第四紀活動火山，
100 公里與 200 公里線則為班尼奧夫帶(Wadati-Benioff zone)深度，現生火山分佈在 100 公里上方（同火山前緣(Volcanic front)的位置），其構成現生的火山島弧。箭頭 指示菲律賓海板塊的隱沒方向，隱沒速度則標示在箭頭旁。(NOT: North Okinawa trough; MOT: Middle Okinawa trough; SOT: South Okinawa trough; OK: Okinawa-jima;
AG: Agumi-jima; KM: Kume-jima; IS: Ishigaki-jima; IR: Iromote-jima)。
3-2 琉球島弧的岩漿活動
琉球島弧最早的岩漿活動紀錄在距今約63 百萬年(Bowin and Reynolds, 1975)，
而現生(第四紀，小於 2 百萬年)的岩漿活動分布在日本西南諸島以西的位置(圖 3-2)；由始新世至今，火山前緣(volcanic front)的位置略往西北方向移動(圖 3-3)。
除了典型的、紀錄隱沒板塊脫水流體特徵的島弧火山岩之外，根據火山岩的研 究，琉球弧還有其他、不同形成機制的火山岩。Shinjo et al. (1999)報導，琉球弧有 高鎂安山岩與高鎂玄武岩的出露(表 3-1；圖 3-4)，定年結果皆為中新世，分布於琉 球中部與南部。O-jima 的高鎂安山岩與 Kume-jima 的高鎂玄武岩具備埃達克岩 (adakite)的地球化學特徵，推估這段時間可能發生隱沒海洋地殼的部分熔融；
Iriomote-jima 島上的高鎂玄武質安山岩則具備洋島型玄武岩(ocean island basalt)的 地球化學特徵，Shinjo et al. (1999)基於微量元素、鍶、釹同位素與定年結果，認為 是福建–臺灣板塊內部岩漿事件。
Location Rock type Age
O-jima (OJ) High Mg andesite 6.08±0.46Ma Kume-jima (KM) High Mg basalt ~6.24Ma Iriomote-jima (IR) High Mg basaltic andesite 13.1±1.1Ma 表3-1 琉球火山弧高鎂火成岩(整理自 Shinjo et al. (1999))。
圖3-3 島弧岩漿隨時間上的分佈(Miyazaki et al., 2016)。
圖3-4 高鎂火山岩的分佈(Shinjo et al., 1999)。琉球中部區域(A)與琉球南部區域(B)。
陰影區域屬地塹(TR: Torishima Graben;IH: Iheya Graben;IR: Iheya Ridge;AGN: Aguni Graben ;SK: Sakishima Graben; YE: Yaeyama Graben)；深色區域屬島嶼(AG: Aguni-jima; KM: Kume-Aguni-jima; OJ: O-Aguni-jima; OK: Okinawa-Aguni-jima; IS: Ishigaki-Aguni-jima; IR: Iriomote-jima)；橫條紋的線段標示火山前緣，Irk(Irabu Knoll)、Tak(Tarama Knoll)、Isk(Ishigaki
3-3 增積岩體的分布
3-3-1 四萬十帶(Shimanto Belt)
根據Taira et al. (1982)的研究，四萬十帶的變質時間在白堊紀(Cretaceous)到新 近紀(Neogene)，目前分布在日本本州、四國、九州與琉球群島(圖 3-5)，主要以泥 岩、砂岩為主，變質程度在沸石相到綠片岩相。在琉球群島上則分布在九州南部、
Amami-oshima 與 Okinawa-jima(圖 3-5)。
3-3-2 侏羅紀形成的增積岩體
分佈在庵美大島(Amami Oshima)、沖繩本島(Okinawa-jima)與石垣島(Ishigaki-jima)( Takami et al., 1999; Takeuchi, 2010)的增積岩體形成於侏羅紀(Jurassic)(圖 3-6)。
主要組成有放射蟲化石、石炭紀到白堊紀的石灰岩與侏羅紀到白堊紀的碎屑岩 (Miyazaki et al., 2016)。
3-4 上部地函的同位素組成
Shinjo et al. (2000)根據琉球火山岩的鉛同位素特徵，指出琉球弧下方有兩個不 同地化特徵的岩漿源，以九州南部與琉球北部的海陸為界，往北的岩漿源具備印度 洋中洋脊玄武岩的鉛同位素特徵(Indian Ocean (DUPAL) MORB-type mantle)；以南 的岩漿源則擁有太平洋中洋脊玄武岩(Pacific Ocean MORB-type mantle)的鉛同位素 特徵圖(3-7)。
圖 3-5 四萬十帶的分布位置(上圖)，下圖綠色表示在琉球群島中細部的分布位置 (Taira et al., 1982, Miyazaki et al., 2016)。四萬十帶完全覆蓋在九州南部，所以在下 圖的(a)就沒有張貼出來。
圖3-6 侏羅紀形成的增積岩體，以綠色表示其分布位置(Miyazaki et al., 2016)。此
圖3-7 琉球弧不同同位素的岩漿源區(Shinjo et al., 2000)。岩漿由兩種不同的岩漿 源各自和地表的物質混合而成(Component A: upper crust influence; Component B:
Pacific MORB-type mantle; Component C: Indian Ocean (DUPAL) MORB-type mantle)。
Indian Ocean MORB-type mantle 又稱 east Asia low velocity composition，其地化特 徵 ：206Pb/204Pb ~17.6-18.8 、87Sr/86Sr ~0.7035-0.7040 與 143Nd/144Nd ~0.5129-0.5130(Hoang and Flower, 1998; Flower et al., 1998)。
3-5 樣本概述
琉球弧火山岩樣本的主量元素、微量元素與鍶、釹、鉛同位素已於琉球大學 (University of the Ryukyus)分析完成，並報導於 Shinjo et al. (2000)，本研究以這些 地球化學資料為基礎，進一步進行鋰同位素的分析。
根據Arakawa et al. (1998)，九州南部火山岩的鍶－釹同位素會隨著 SiO2而有 變化，暗示樣本有受到地殼混染(crust contamination)的影響（圖 3-8，Aira Caldera）。 然而，根據Shinjo et al. (2000)的論述，本研究採用的九州南部樣本 SiO2< 55 wt.%、
MgO> 3%，且 SiO2對鍶同位素與MgO 對釹同位素都沒有出現線性相關（圖 3-8）， 這些地化觀察都指出，這批九州南部的島弧火山岩在形成的過程中沒有受到地殼 混染影響，其組成能代表島弧岩漿源的地球化學特徵。
樣本來自九州南部到琉球中部的第四紀琉球弧火山前緣(volcanic front)，僅一 個非火山前緣的樣本MKR-2(圖 3-9)。根據前人地球化學資料(Shinjo et al., 2000)，
樣本岩性為玄武岩(basalt)或玄武質安山岩(basaltic andesite)(圖 3-10)；屬低鉀系列 (low-K series)和鈣鹼系列(calc-alkaline series)(圖 3-11)；具典型島弧地球化學特徵，
包括大離子半徑元素(large ion lithophile elements)富集與高場力鍵結元素(high field strength elements)虧損(圖 3-12)；稀土元素(REE; rare earth elements)沒有出現明顯重 稀土元素的虧損與中稀土元素虧損(圖 3-13)，顯示岩漿源沒有石榴子石或角閃石的 殘餘相。
圖3-8 SiO2對鍶同位素繪圖 (上)與 MgO 對釹同位素繪圖(下)（修改自 Shinjo et al.
(2000)），Aira Caldera 的資料取自(Arakawa et al., 1998)。圖例見圖 3-9。
圖3-9 樣本位置。顏色代表樣本的分佈位置，紅色：九州南部、黃色：琉球北部、
藍色：琉球中部。形狀則代表岩性，圓形：玄武岩、三角形：玄武質安山岩。
圖3-10 樣本在 TAS (the total-alkalis vs silica diagram)的投圖，分界線的數據採用 Le Maitre et al. (1989)，圖例同圖 3-9。
圖 3-11 樣本在次鹼性岩(subalkalic rocks)鑑別圖的投圖，分界線的數據採用 Le Maitre et al. (1989)，圖例同圖 3-9。
0 2 4 6
45 50 55 60
Na 2 O+ K 2 O %
SiO 2 %
Basalt
Basaltic andesite
0 1 2
45 50 55 60
K 2 O %
SiO 2 %
圖 3-12 琉球弧各區域火山岩的蛛網圖(spider diagram)，黑色線段為玄武岩、黃色
線段代表玄武質安山岩，紅色則為非火山前緣的MKR-2。
1 10 100 1000
Cs Rb Ba Th U Nb Ta K La Ce Pb Pr Sr P Nd Sm Zr Hf Eu Ti Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu
Sth. Kyushu VF
1 10 100 1000
Cs Rb Ba Th U Nb Ta K La Ce Pb Pr Sr P Nd Sm Zr Hf Eu Ti Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu
Nth. Ryukyu VF ＆ MKR2
1 10 100 1000
Cs Rb Ba Th U Nb Ta K La Ce Pb Pr Sr P Nd Sm Zr Hf Eu Ti Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu
Central Ryukyu VF
圖3-13 琉球弧各區域火山岩的稀土元素作圖，圖例同圖 3-12。