新聞動態(tài)廣州地化所揭示藍片巖熔融對碰撞后造山帶巖漿活動影響
中國科學院廣州地球化學研究所地幔地球化學學科組特任研究員王煜和澳大利亞麥考瑞大學教授Stephen Foley，通過實驗巖石學方法揭示藍片巖部分熔融對碰撞后造山帶巖漿活動的潛在影響。相關研究成果近日在線發(fā)表于國際固體地球權(quán)威期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。
發(fā)生在會聚板塊的俯沖作用深刻影響著地球演化過程中的諸多地球化學和地球物理過程。俯沖大洋板塊中的玄武巖，輝長巖和沉積物在相對淺的深度（20~50 km，0.6~1.2 GPa）變質(zhì)為藍片巖。當俯沖作用進行到更深且更高壓力時，藍片巖普遍被認為在部分熔融發(fā)生之前就會完全轉(zhuǎn)變成石榴石角閃巖或榴輝巖。然而，并非所有藍片巖都一定會被俯沖至地幔足夠深的位置以使這種常規(guī)的進變質(zhì)作用發(fā)生。在那些有大量較小的大洋板塊和大陸地塊組成的區(qū)域，例如新生代的地中海地區(qū)和現(xiàn)代的印度尼西亞，許多藍片巖可能被卷入上升的混雜巖底辟中，或在地幔較淺位置以藍片巖混雜巖形式與地幔難熔橄欖巖通過疊瓦作用混雜堆疊保存在一起，聯(lián)同這些小的大洋板塊及大陸地塊一同在地幔形成一個新的巖石圈。這個新的巖石圈被認為是許多造山帶巖漿巖的源區(qū)，尤其是那些在這一新巖石圈形成后僅20-50百萬年即形成的碰撞后造山帶鉀質(zhì)—超鉀質(zhì)巖漿巖。
因此，長久以來固有的認為“在俯沖過程中藍片巖絕不會達到部分熔融條件”的觀念也許并不正確，在碰撞后造山環(huán)境中，且有上述新巖石圈形成的背景下，藍片巖很可能在這種類型的混合巖石圈中發(fā)生相對低壓條件下（≤2 GPa）的部分熔融。
圖1. 藍片巖在俯沖過程中的兩種不同形式簡易示意圖。(a) 傳統(tǒng)“深俯沖”模式，即藍片巖最終被俯沖至地幔深部并被轉(zhuǎn)化為角閃石巖或榴輝巖；(b) 碰撞后造山環(huán)境下的“淺俯沖”模式，即藍片巖可能被卷入上升的混雜巖底辟中，或在地幔較淺位置以藍片巖混雜巖形式與地幔難熔橄欖巖通過疊瓦作用混雜堆疊保存在一起，聯(lián)同許多小的大洋板塊及大陸地塊一同在地幔形成一個新的巖石圈。
針對上述問題，研究人員設計了一系列高溫高壓實驗，首次系統(tǒng)調(diào)查了不同成因的藍片巖在800~850℃，2GPa溫壓條件下的部分熔融行為。實驗結(jié)果表明，初始藍片巖的礦物組合雖然不同，但殘留物均對應榴輝巖相。所有實驗均生成含水富硅熔體（60~66 wt% SiO2），石榴石，斜方輝石、磷灰石和鋯石。無論初始物質(zhì)成分如何，熔體中的CaO和MgO含量均隨熔融程度的增加而增高。
與玄武巖體系和榴輝巖體系相比，該研究表明，石榴石以及斜方輝石中LILE、LREE、Th、U、Nb和Ta的分配系數(shù)更高。在藍片巖脫水熔融過程中，LILE、HFSE和REE往往更相容。脫水熔融也會極大地影響許多關鍵微量元素分餾程度（如K/Th、Ce/Pb、Nb/U、V/Sc比值）。Pb、Ti、Sc、V、Mn和Zr/Hf的比值受熔融作用影響最小，無論其熔融程度和初始藍片巖成因如何。在俯沖進變質(zhì)過程中較早形成的富錳石榴石可以攫取大量的HREE，且由于三價元素擴散比較緩慢，在隨后的貧錳石榴石生長過程中，這種HREE的集中富集也無法被完全消除。富錳石榴石中的上述特征可能會促使藍片巖進變質(zhì)途徑中其他HREE富集相的結(jié)晶，如磷灰石或綠簾石族礦物，因此可能在地球化學演化中起到重要作用。
圖2. 實驗生成的藍片巖熔體中關鍵微量元素比值特征，同時進行對比的包括地中海中西部地區(qū)及土耳其地區(qū)的碰撞后造山帶巖漿巖、代表性大洋玄武巖以及大陸地殼。
研究表示，并非所有藍片巖都一定會被俯沖得足夠深，從而被轉(zhuǎn)化為角閃巖或榴輝巖；許多藍片巖可能被存儲在地幔巖石圈的淺層深度中，并以藍片巖的形態(tài)被保存下來，尤其是在碰撞后造山環(huán)境中，如新生代的地中海地區(qū)和現(xiàn)代印度尼西亞等。這種類型的熔體不同于通常討論的俯沖板片衍生流體（盡管是由其誘發(fā)的），因此會影響碰撞后造山帶巖漿活動過程中如化學成分變化、微量元素分配以及其與地幔圍巖的相互作用等關鍵要素。
該項目獲得了中國科學院B類先導專項（XDB18000000），國家自然科學基金（41773055），中國科學院青年創(chuàng)新促進會專項基金（2020348）及廣東省自然科學基金（2019A1515012071）等聯(lián)合資助。
相關論文信息：https://doi.org/10.1029/2020JB019910
（同位素地球化學國家重點實驗室）
