研究揭示藍片巖熔融對碰撞後造山帶巖漿活動的影響

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後造山帶巖漿活動的潛在影響。相關研究成果在線發表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。

發生在會聚板塊的俯衝作用影響地球演化過程中的諸多地球化學和地球物理過程。俯衝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）變質為藍片巖。當俯衝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生之前就會轉變成石榴石角閃巖或榴輝巖。然而，並非所有藍片巖都會被俯衝至地幔足夠深的位置以使這種進變質作用發生。在有大量較小的大洋板塊和大陸地塊組成的區域，如新生代的地中海地區和現代的印度尼西亞，許多藍片巖可能被捲入上升的混雜巖底闢中，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，聯同這些小的大洋板塊及大陸地塊在地幔形成新的巖石圈。這個新巖石圈被認為是許多造山帶巖漿巖的源區，尤其是那些在這一新巖石圈形成後僅20-50百萬年即形成的碰撞後造山帶鉀質-超鉀質巖漿巖。因此，在碰撞後造山環境中，且有上述新巖石圈形成的背景下，藍片巖可能在這種類型的混合巖石圈中發生相對低壓條件下（≤2 GPa）的部分熔融。

研究人員設計一系列高溫高壓實驗，調查不同成因的藍片巖在800~850℃，2GPa溫壓條件下的部分熔融行為。實驗表明，初始藍片巖的礦物組合雖然不同，但是殘留物均對應榴輝巖相。實驗均生成含水富矽熔體（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的分配係數更高。在藍片巖脫水熔融過程中，LILE、HFSE和REE往往更相容。脫水熔融也會影響較多關鍵微量元素分餾程度（如K/Th、Ce/Pb、Nb/U、V/Sc比值）。不論其熔融的程度以及初始藍片巖如何形成，Pb、Ti、Sc、V、Mn和Zr/Hf的比值受熔融作用影響較小。在俯衝進變質過程中較早形成的富錳石榴石可攫取較多的HREE，且由於三價元素擴散較慢，在隨後的貧錳石榴石生長過程中，這種HREE的集中富集難以完全消除。富錳石榴石中的上述特徵可能會促使藍片巖進變質途徑中其他HREE富集相的結晶，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。

研究表明，並非所有藍片巖均會被俯衝得足夠深，從而被轉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，並以藍片巖的形態保存下來，尤其是在碰撞後造山環境中，如新生代的地中海地區和現代印度尼西亞等。該類型的熔體不同於通常討論的俯衝板片衍生流體（儘管是由其誘發的），因此會影響碰撞後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。

研究工作獲得中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會專項基金以及廣東省自然科學基金等的資助。

圖1.藍片巖在俯衝過程中的兩種不同形式簡易示意圖。（a） 傳統「深俯衝」模式，即藍片巖最終被俯衝至地幔深部並被轉化為角閃石巖或榴輝巖；（b） 碰撞後造山環境下的「淺俯衝」模式，即藍片巖可能被捲入上升的混雜巖底闢中，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

圖2.實驗生成的藍片巖熔體中關鍵微量元素比值特徵，同時進行對比的包括地中海中西部地區及土耳其地區的碰撞後造山帶巖漿巖、代表性大洋玄武巖以及大陸地殼

來源：中國科學院廣州地球化學研究所