廣州地化所揭示俯沖下洋殼在地幔淺部的熔融行爲

  

  中國科學院广州地球化学研究所地幔地球化学学科组特任研究員王煜和中國科學院院士徐义刚设计了一系列高温高压实验,揭示了俯冲下洋壳在地幔浅部的熔融行为。相关研究成果于近日发表在国际固体地球权威期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。

  俯沖作用爲地球帶來的最深遠效應之一是將地殼物質引入深部地幔。目前,大量地球化學和岩石學研究證明幔源中可能存在其他岩性成分(例如:輝石岩、輝長岩、斜長角閃岩等),而不是之前廣泛認爲的單一的橄榄岩地幔源區。其中,作爲俯沖板片的重要組成部分,俯沖下洋殼在研究洋中脊和板內玄武岩成因中的作用越來越突出,但是目前還缺少對這一重要組分在地幔熔融過程中的實驗岩石學約束。

  研究人员系统调查了俯冲下洋壳在地幔不同深度的熔融行为及其与周围地幔橄榄岩的相互作用。首批实验的初始物质选用采自中国东北蛟河碱性玄武岩中的天然辉石岩捕虏体样品,在1GPa,1100-1300℃ 的温压条件下进行了高温高压部分熔融实验;同时进行的还包括一系列下洋壳-纯橄岩相互作用熔融实验,以了解下洋壳衍生熔体与地幔橄榄岩之间的反应,并成功实现了下洋壳衍生熔体向纯橄岩的渗透。

  实验结果表明,俯冲下洋壳衍生熔体均为玄武质且其成分随熔融程度变化显著。对于以石榴子石单斜辉石岩为初始物质的实验,残余矿物组合主要以单斜辉石和橄榄石为主;而对于以石榴子石二辉岩为初始物质的实验,残余矿物相中出现尖晶石。除过渡元素(Sc、V和Cr)外,所有关键微量元素在单斜辉石中都呈不相容,且明显更相容重稀土元素(HREE)(DLu/DLa >> 1);稀土元素的分配系数与单斜辉石中IVAl含量呈较好正相关(尤其对于HREE)。除Cr和V外,尖晶石在下洋壳熔融过程中对微量元素配分的贡献非常有限。

  在較高壓力下,前人得出的單斜輝石和輝長岩熔體和榴輝岩熔體之間幾乎所有微量元素的分配系數均遠低于本研究結果,特別是Th、U和HREE。對于相互作用實驗,除了兩個有鈣長石出現的實驗外,下洋殼衍生熔體都成功滲入周圍的純橄岩中。然而,下洋殼衍生熔體中與純橄岩反應引起的成分變化在1GPa時仍然相對較小;這些下洋殼熔體很可能從上湧地幔中被提取出來,同時仍保留其微量元素和同位素印記。此外,研究發現代表下洋殼的輝石岩與純橄岩之間的分離熔體在較低熔融程度可能更富鉀。

图1. 背散射电子和X射线元素图像显示发生部分熔融的辉石岩和未熔融的纯橄岩之间的主量元素成分分布,可以明显看到两种不同岩性之间的分离熔体富集钾。

  實驗産生的下洋殼熔體具有高La/Sm、Eu/Eu*、Nb/Ta和Ba/Th的特征,特別是對于在較高溫度下(如1300℃)進行的實驗;此外,這些熔體還表現出明顯的Sr和Eu的正異常,而常規橄榄岩和輝石岩熔體都不具備這種特征。大洋玄武岩中若識別出明顯的Sr和Eu正異常,其成因應受到來自輝長岩或類似下洋殼的輝石岩熔融的影響;實驗證明,幔源岩漿岩中Sr-Eu特征在很大程度上取決于地幔源區中再循環組分的全岩微量元素成分特征。

图2. 实验生成的下洋壳熔体球粒陨石归一化稀土元素组成特征,同时进行对比的包括中国东北双辽玄武岩、东太平洋隆起洋中脊玄武岩以及夏威夷洋岛玄武岩。

  該研究表明,下洋殼在地幔中的熔融過程的確可以爲幔源岩漿提供代表性的微量元素特征如Sr和Eu正異常及一致的Nb/Ta和Zr/Hf比值,但它不能解釋MORB、OIB和大陸板內玄武岩(例如雙遼玄武岩)中主量元素成分的變化特征。除俯沖下洋殼和純橄岩外,源區中必須有其他組分去限定這些玄武岩中的主量元素成分特征(如高FeOT和TiO2含量)。后续实验将在更高压力(≥ 3 GPa)及更多组分条件下开展。

  該项目获得了中國科學院B类先导专项(XDB18000000),国家自然科学基金(41773055),中國科學院青年創新促進會专项基金(2020348)及广东省自然科学基金(2019A1515012071)等联合资助。

  相关論文信息:https://doi.org/10.1029/2020JB020673

(同位素地球化學國家重點實驗室供稿)

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