新聞動(dòng)態(tài)廣州地化所揭示藍(lán)片巖熔融對(duì)碰撞后造山帶巖漿活動(dòng)影響
中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所地幔地球化學(xué)學(xué)科組特任研究員王煜和澳大利亞麥考瑞大學(xué)教授Stephen Foley，通過實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)方法揭示藍(lán)片巖部分熔融對(duì)碰撞后造山帶巖漿活動(dòng)的潛在影響。相關(guān)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(huì)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(xué)和地球物理過程。俯沖大洋板塊中的玄武巖，輝長(zhǎng)巖和沉積物在相對(duì)淺的深度（20~50 km，0.6~1.2 GPa）變質(zhì)為藍(lán)片巖。當(dāng)俯沖作用進(jìn)行到更深且更高壓力時(shí)，藍(lán)片巖普遍被認(rèn)為在部分熔融發(fā)生之前就會(huì)完全轉(zhuǎn)變成石榴石角閃巖或榴輝巖。然而，并非所有藍(lán)片巖都一定會(huì)被俯沖至地幔足夠深的位置以使這種常規(guī)的進(jìn)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(lán)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(lán)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(gè)新的巖石圈。這個(gè)新的巖石圈被認(rèn)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(zhǎng)久以來固有的認(rèn)為“在俯沖過程中藍(lán)片巖絕不會(huì)達(dá)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(lán)片巖很可能在這種類型的混合巖石圈中發(fā)生相對(duì)低壓條件下（≤2 GPa）的部分熔融。
圖1. 藍(lán)片巖在俯沖過程中的兩種不同形式簡(jiǎn)易示意圖。(a) 傳統(tǒng)“深俯沖”模式，即藍(lán)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(lán)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(lán)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(gè)新的巖石圈。
針對(duì)上述問題，研究人員設(shè)計(jì)了一系列高溫高壓實(shí)驗(yàn)，首次系統(tǒng)調(diào)查了不同成因的藍(lán)片巖在800~850℃，2GPa溫壓條件下的部分熔融行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，初始藍(lán)片巖的礦物組合雖然不同，但殘留物均對(duì)應(yīng)榴輝巖相。所有實(shí)驗(yàn)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(lán)片巖脫水熔融過程中，LILE、HFSE和REE往往更相容。脫水熔融也會(huì)極大地影響許多關(guān)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(lán)片巖成因如何。在俯沖進(jìn)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(jià)元素?cái)U(kuò)散比較緩慢，在隨后的貧錳石榴石生長(zhǎng)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(huì)促使藍(lán)片巖進(jìn)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(xué)演化中起到重要作用。
圖2. 實(shí)驗(yàn)生成的藍(lán)片巖熔體中關(guān)鍵微量元素比值特征，同時(shí)進(jìn)行對(duì)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(lán)片巖都一定會(huì)被俯沖得足夠深，從而被轉(zhuǎn)化為角閃巖或榴輝巖；許多藍(lán)片巖可能被存儲(chǔ)在地幔巖石圈的淺層深度中，并以藍(lán)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(huì)影響碰撞后造山帶巖漿活動(dòng)過程中如化學(xué)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(guān)鍵要素。
該項(xiàng)目獲得了中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)（XDB18000000），國家自然科學(xué)基金（41773055），中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)專項(xiàng)基金（2020348）及廣東省自然科學(xué)基金（2019A1515012071）等聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1029/2020JB019910
（同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
