俯冲带复杂的壳幔相互作用

俯冲带除俯冲板片脱水形成的富大离子亲石元素流体、交代地幔楔形成的岛弧钙碱性玄武岩安山岩-英安岩-流纹岩及相应侵入岩组合外，还存在由俯冲扳片熔融形成的埃达克质熔体交代地慢楔形成的埃达克岩-富铌玄武岩-富镁安山岩组合，从而构成了俯冲带的流体交代与熔体交代两大类壳慢相互作用体系及相应的岩石组合。熔体交代作用的显著特点是Mg、高场强元素Nb、Ti、P等含量增加，Nd／Sr值增高，而Si、K、Na及La／Yb降低。洋壳板片或洋脊俯冲、玄武质岩浆底侵使地壳增厚，或板片断离、撕裂等作用均可产生埃达克质熔体并随之产生熔体交代作用。流体和熔体与地幔橄揽岩的相互作用构成了俯冲带复杂的地球化学体系。     

大陆俯冲带壳幔相互作用

由板块俯冲引发的深部物质循环过程是地球内部的一级运行机制,主宰了地球从内到外的演化进程,是地球科学研究的重要前沿.俯冲带化学地球动力学研究不仅需要确定俯冲带地壳物质再循环的机制和形式,而且需要确定俯冲带动力来源和热体制及其随时间的变化.为了识别不同类型壳源熔/流体对地幔楔的交代作用、寻求板片-地幔界面反应的岩石学和地球化学证据、理解汇聚板块边缘地壳俯冲和拆沉对地幔不均一性的贡献,我们必须将俯冲带变质作用、交代作用和岩浆作用作为一个地球科学系统来考虑.板块俯冲带变质过程中发生一系列物理化学变化,这些变化不但是导致板块进一步俯冲的主要驱动力,同时也控制着释放的熔/流体组成和俯冲到地球深部的物质组成,对俯冲带化学地球动力学过程产生重要影响.地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面起着重要作用.造山带地幔楔橄榄岩直接记录了俯冲带多种性质的熔/流体交代作用,以及复杂的壳幔物质循环过程.俯冲带岩浆岩是大洋/大陆板块俯冲物质再循环的表现形式,这些岩石样品记录了俯冲带从深部地幔到浅部地壳的过程,也为认识地球深部物质循环提供了理想的天然样品.尽管国际上在俯冲带岩石学和地球化学领域针对地球深部过程的研究方面取得了多项重要进展,但由于研究工作缺乏密切的协同配合,包括俯冲带熔/流体的物理化学性质、俯冲带壳幔相互作用的机制和过程、俯冲带幔源岩浆活动的物质来源和启动机制以及深部地幔过程对地表环境的影响等许多关键科学问题尚未得到根本解决.将来的研究需要聚焦俯冲带物质循环这一核心科学问题,进一步查明俯冲带变质作用、交代作用、岩浆作用等过程的各自特征和相互联系,包括挥发性组分在地球深部的迁移过程及其资源和环境效应,着力考察研究相对薄弱的古俯冲带,阐明板块俯冲与地球深部物质循环之间的耦合机制.      

造山带橄榄岩起源和大陆俯冲带壳幔相互作用

俯冲地壳衍生流体交代地幔楔,是产生俯冲带岩浆作用的重要机制.但是,目前人们对俯冲大陆物质改造地幔楔的岩石学过程和机理仍缺乏深入认识,造山带橄榄岩是解析这一问题的直接样品.通过对大别-苏鲁造山带橄榄岩进行系统的矿物学、岩石学和地球化学研究,发现橄榄石Ni/Co比值可有效区分幔源和壳源造山带橄榄岩,揭示幔源造山带橄榄岩起源于华北岩石圈地幔.苏鲁李家屯纯橄岩在进入俯冲带之前就已在地幔内部经历了碳酸盐熔体交代.大别毛屋和苏鲁蒋庄橄榄岩及其交代脉体记录了约170~200 km深度的俯冲带壳幔相互作用过程.深俯冲陆壳释放的富Si-Al质熔体可不同程度地改造地幔楔底部,形成富石榴石和富辉石的交代岩,并引发强烈的Os同位素分馏效应.该过程不仅改变地幔楔岩性和化学组成,还能够改变交代介质成分,为俯冲带各类深部地幔岩浆提供源区物质.因此,大陆深俯冲是导致上地幔不均一的重要途径.      

造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问题的理想样品.通过对大别-苏鲁和柴北缘造山带橄榄岩进行系统的岩石学和地球化学研究,发现地幔楔橄榄岩由于俯冲地壳的交代作用而含有新生锆石和残留锆石,它们能为地壳交代作用时间、交代介质来源、性质和组成提供制约.地幔楔橄榄岩在大陆碰撞过程的不同阶段受到了俯冲大陆地壳衍生的多期不同性质流体的交代作用.地幔楔橄榄岩还受到了陆壳俯冲之前古俯冲洋壳衍生流体的交代作用.深俯冲陆壳衍生熔体与橄榄岩反应形成的石榴辉石岩具有高的水含量,能提供高水含量的地幔源区.      

中国东部新生代玄武岩记录古太平洋俯冲带壳幔相互作用

大陆玄武岩通常具有与洋岛玄武岩相似的地球化学成分,其中含有显著的壳源组分.对于洋岛玄武岩来说,虽然其中的壳源组分归咎于深俯冲大洋板片的再循环,但是对板片俯冲过程中的壳幔相互作用缺乏研究.对于大陆玄武岩来说,由于其形成与特定大洋板片在大陆边缘之下的俯冲有关,可以用来确定古大洋板片俯冲的地壳物质再循环.本文总结了我们对中国东部新生代玄武岩所进行的一系列地球化学研究,结果记录了古太平洋板片俯冲析出流体对地幔楔的化学交代作用.这些大陆玄武岩普遍具有与洋岛玄武岩类似的地球化学成分,在微量元素组成上表现为富集LILE和LREE、亏损HREE,但是不亏损HFSE的分布特点,在放射成因同位素组成上表现为亏损至弱富集的Sr-Nd同位素组成.在排除地壳混染效应之后,这些玄武岩的地球化学特征可以由其地幔源区中壳源组分的性质来解释.俯冲大洋地壳部分熔融产生的熔体提供了地幔源区中的壳源组分,其中包括洋壳镁铁质火成岩、海底沉积物和大陆下地壳三种组分.华北和华南新生代大陆玄武岩在Pb同位素组成上存在显著差异,反映它们地幔源区中的壳源组分有所区别.中国东部新生代玄武岩的地幔源区是古太平洋板片于中生代俯冲至亚欧大陆东部之下时,在>200 km的俯冲带深度发生壳幔相互作用的产物.在新生代期间,随着俯冲太平洋板片的回卷引起的中国东部大陆岩石圈拉张和软流圈地幔上涌,那些交代成因的地幔源区发生部分熔融,形成了现今所见的新生代玄武岩.      

大陆俯冲带超高压变质岩部分熔融与壳幔相互作用研究进展

自20世纪80年代在大陆地壳岩石中发现柯石英和金刚石等超高压变质矿物以来,大陆深俯冲和超高压变质作用就成为了固体地球科学研究的前沿和热点领域之一.经过三十余年的研究,已经在大陆地壳的俯冲深度、深俯冲岩石变质P-T-t轨迹、俯冲地壳岩石的折返机制、深俯冲岩石的原岩性质、大陆碰撞过程中的熔/流体活动与元素活动性、俯冲隧道内...     

俯冲循环组分对大洋地幔不均一性的定量约束

大洋地幔内部存在广泛的不均一性,其成因可有多种模式,其中俯冲循环作用对地幔组成的变化具有重要影响. 为明确各循环组分对亏损地幔的改造作用及其在富集源区中的相对贡献,系统总结了不同循环组分（远洋沉积物、俯冲洋壳、陆壳）的平均微量元素特征,计算了各循环组分在俯冲过程中经历的化学变化. 基于改造后的循环组分,开展与亏损地幔源区的混合和熔融模拟. 结果表明,HIMU型玄武岩可以由纯俯冲洋壳（≤10%）与亏损地幔（≥90%）混合形成的源区,经较低程度熔融（0.5%~1.5%）形成;而EMI型玄武岩可以由俯冲洋壳（≤10%）、俯冲剥蚀的下陆壳物质（≤3%）、亏损地幔（≥90%）混合形成的源区,经较低程度熔融（1%~2%）形成;EMII型玄武岩可以由俯冲洋壳（≤10%）、GLOSS-II（全球俯冲沉积物）或上陆壳物质（≤0.8%）与亏损地幔（≥90%）混合形成的源区,经较低程度熔融（1%~1.5%）形成.      

俯冲带岩浆与岩石的相互作用：关于俯冲板块,地幔,地壳的实验研究

通过对下四种环境中岩浆混染作用的实验研究：（１）俯冲板块之上；（２）地幔－陆壳边界界之下和（３）地幔－际壳边界之上；（４）浅部地壳内。用含Ｈ２Ｏ硅质熔体橄榄岩或角闪岩之间反应的一系列清楚的边界确定了；（１）混染熔体内的扩散断面和（２）二种物质之质的结晶反应带。由含Ｈ２Ｏ的橄榄岩－英云闪长岩－花岗岩混合物确定了一些相界，这些相界能区分从俯冲板块中产生的并经过地幔上升的熔体的混染程度和与橄榄岩（如堆积     

大陆板片-地幔相互作用:来自大别造山带碰撞后安山质火山岩的地球化学证据

俯冲到地幔深度的地壳物质不可避免地在板片-地幔界面与地幔楔发生相互作用,由此形成的超镁铁质交代岩就是造山带镁铁质火成岩的地幔源区.因此,造山带镁铁质火成岩为研究俯冲地壳物质再循环和壳-幔相互作用提供了重要研究对象.为了揭示俯冲陆壳物质再循环的机制和过程,对大别造山带碰撞后安山质火山岩开展了元素和同位素地球化学研究.这些安山质火山岩的SIMS锆石U-Pb年龄为124±3~130±2 Ma,表明其形成于早白垩世.此外,残留锆石的U-Pb年龄为中新元古代和三叠纪,分别对应于大别-苏鲁造山带超高压变火成岩的原岩年龄和变质年龄.它们具有岛弧型微量元素特征、富集的Sr-Nd-Hf同位素组成,以及变化的且大多不同于正常地幔的锆石δ18O值.这些元素和同位素特征指示,这些安山质火山岩是交代富集的造山带岩石圈地幔部分熔融的产物.在三叠纪华南陆块俯冲于华北陆块之下的过程中,俯冲华南陆壳来源的长英质熔体交代了上覆华北岩石圈地幔楔橄榄岩,大陆俯冲隧道内的熔体-橄榄岩反应产生了富沃、富集的镁铁质地幔交代岩.这种地幔交代岩在早白垩世发生部分熔融,就形成了所观察到的安山质火山岩.因此,碰撞造山带镁铁质岩浆岩的地幔源区是通过大陆俯冲隧道内板片-地幔相互作用形成的,而加入地幔楔中长英质熔体的比例决定了这些镁铁质岩浆岩的岩石化学和地球化学成分.      

Water in Garnet Pyroxenite from the Sulu Orogen: Implications for Crust‐Mantle Interaction in Continental Subduction Zone

Mineral water contents, together with the elements and isotopes of minerals and whole‐rock, were determined for garnet pyroxenites enclosed by ultrahigh‐pressure (UHP) metamorphic gneiss at Hujialin in the Sulu orogen. The results suggest that the garnet pyroxenites were generated in the Triassic by metasomatic reaction of the mantle wedge peridotite with hydrous felsic melts derived from partial melting of the deeply subducted continental crust. Measured water contents vary from 523 to 1213 ppm for clinopyroxene, and 55 to 1476 ppm for garnet. These mineral water contents are not only correlated with mineral major and trace element abundances but also relatively homogenous within single mineral grains. Such features preclude significant disturbance of the mineral water contents during pyroxenite exhumation from the mantle depth to the surface and thus indicate preservation of the primary water contents for the UHP metasomatites. The garnet pyroxenites are estimated to have bulk water contents of 424–660 ppm, which are higher than those for the MORB source, similar to or higher than those for the OIB sources and close to the lower limit for the arc magma source. The relationships between contents of mineral water and some elements suggest that the high water contents of garnet pyroxenites are primarily determined by the abundance of water‐rich clinopyroxene. Calculated whole‐rock H₂O/Ce ratios are 63–145, higher than those for Hawaiian garnet pyroxenites and SWIR abyssal pyroxenites. These observations suggest that metasomatic pyroxene‐rich lithologies have the capacity to contribute high H₂O concentrations and variable H₂O/Ce ratios to the mantle. This lends support to the interpretation that the source of some intraplate basalts may be a heterogeneous mixture of peridotite and pyroxenite. On the other hand, the high water contents of garnet pyroxenites suggest that the ultramafic metasomatites are an important water reservoir in the mantle wedge.     

Phengite-hosted LILE Enrichment in Eclogite and Related Rocks: Implications for Fluid-Mediated Mass Transfer in Subduction Zones and Arc Magma Genesis

Geochemical differences between island arc basalts (IAB) andocean-floor basalts (mid-ocean ridge basalts; MORB) suggestthat the large-ion lithophile elements (LILE) K, Ba, Rb andCs are probably mobilized in subduction zone fluids and melts.This study documents LILE enrichment of eclogite, amphibolite,and epidote ± garnet blueschist tectonic blocks and relatedrocks from melanges of two subduction complexes. The samplesare from six localities of the Franciscan Complex, California,and related terranes of Oregon and Baja California, and fromthe Samana Metamorphic Complex, Samana Peninsula, DominicanRepublic. Most Franciscan blocks are MORB-like in their contentsof rare earth elements (REE) and high field strength elements(HFSE); in contrast, most Samana blocks show an IAB signatureof these elements. The whole-rock K₂O contents of both groupsrange from 1 to 3 wt %; K, Ba, Rb, and Cs are all strongly intercorrelated.Many blocks display K/Ba similar to metasomatized transitionzones and rinds at their outer margins. Some transition zonesand rinds are enriched in LILE compared with host blocks; othersare relatively depleted in these elements. Some LILE-rich blockscontain ‘early’ coarse-grained muscovite that isaligned in the foliation defined by coarse-grained omphaciteor amphibole grains. Others display ‘late’ muscovitein veins and as a partial replacement of garnet; many containboth textural types. The muscovite is phengite that contains3.25–3.55 Si per 11 oxygens, and 0.25–0.50 Mg per11 oxygens. Lower-Si phengite has a significant paragonite component:Na per 11 oxygens ranges to 0.12. Ba contents of phengite rangeto over 1 wt % (0.027 per 11 oxygens). Ba in phengite does notcovary strongly with either Na or K. Ba contents of phengiteincrease from some blocks to their transition zones or rinds,or from blocks to their veins. Averaged K/Ba ratios for phengiteand host samples define an array which describes other subsamplesof the block and other analyzed blocks. Phengite carries essentiallyall of the LILE in otherwise mafic eclogite, amphibolite, andgarnet blueschist blocks that are enriched in these elementscompared with MORB. It evidently tracks a distinctive type ofLILE metasomatism that attends both high-T and retrograde subductionzone metamorphism. An obvious source for the LILE is a fluidin equilibrium with metasedimentary rocks. High-grade semipeliticschists from subduction complexes and subductable sediment displayLILE values that resemble those seen in the most LILE-rich blocks.Modeling of Ba and Ti suggests that 1–40 wt % of phengiteadded to MORB can produce their observed LILE enrichment. Thus,the release of LILE from such rocks to fluids or melts in veryhigh-T and -P parts of subduction zones probably depends criticallyon the stability and solubility relations of phengite, whichis thought to be stable at pressures as high as 95–110kbar at T=750–1050°C. KEY WORDS: geochemistry; LT eclogite; mineral chemistry; metasomatism; phengite     

中祁连党河南山碱性系列岩浆岩埃达克岩成因及其对俯冲带壳幔相互作用的启示

碱性系列岩浆岩和埃达克岩是通常产生于汇聚板块边缘的特殊岩石类型,记录了俯冲物质与地幔橄榄岩相互作用的过程。笔者对中祁连南缘党河南山地区贾公台杂岩体和鸡叫沟岩体进行了岩石学、地球化学和锆石U-Pb年代学研究。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年表明,鸡叫沟岩体中的二长闪长岩形成于（467±4.7）Ma,贾公台岩体花岗闪长岩形成于（445±4.3）Ma。地球化学分析结果表明,鸡叫沟杂岩体中角闪辉石岩、辉长岩和二长闪长岩整体上具有富K、富Na的特征,均属于碱性系列岩浆岩,具有钾玄岩特征;岩体中不同岩石类型具有相似的微量元素配分型式,富集Sr、Nb、LILE和LREE等,岩浆源区存在金红石残留,其形成过程与弧地幔楔底部富碱的俯冲沉积物和地幔橄榄岩混合、熔融有关。贾公台花岗闪长岩属于中钾钙碱性系列,Na2O/K2O值大于2.5,样品具有高Sr（>400×10-6）、低Y（<7×10-6）的特征,高Sr/Y值（>70）和La/Yb值（>22）具有高硅埃达克岩特征,与俯冲洋壳的榴辉岩相部分熔融有关,源区存在石榴子石残留特征。党河南山碱性岩浆岩-埃达克岩组合指示了俯冲物质深部熔融的特点（大于50~100 km）,揭示了该地区强烈的壳幔相互作用过程,表明俯冲沉积物和俯冲洋壳可以为弧岩浆侵入体形成提供直接的物质来源,进一步说明俯冲物质和地幔橄榄岩相互作用可能是岛弧地壳生长的方式之一。     

超高压榴辉岩-脉体体系成因和俯冲带变质流体演化

超高压岩石-脉体体系是认识俯冲带流体性质和行为的天然实验室.通过总结大别超高压变质带3个榴辉岩（角闪岩）-脉体体系的研究成果,探讨了大陆俯冲带变质流体的溶解-结晶过程和氧逸度变化规律以及流体对轻元素硼的迁移过程.对榴辉岩-复合高压脉体的研究发现超高压流体通过溶解矿物富集溶质组分,流体随后经历3期结晶过程,分别形成绿辉石-绿帘石脉、绿帘石-石英脉和蓝晶石-绿帘石-石英脉.绿帘石La、Cr和δEu值是判断结晶次序的关键指标.对榴辉岩-角闪岩-低压脉体研究表明大陆俯冲带低压变质流体的氧逸度明显高于高压-超高压变质流体.高氧逸度条件也导致一些反常矿物（如退变金红石）的生长.对含电气石榴辉岩-脉体研究揭示变质碳酸盐岩是大陆俯冲板片中重硼同位素的重要储库,其在汇聚板块边界的脱硼作用显著影响深部硼循环.上述研究成果为理解俯冲带变质流体演化和物质循环提供重要科学依据.