廣州地化所揭示藍片岩熔融對碰撞後造山帶岩漿活動影響

  

  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澳大利亚麦考瑞大学教授Stephen Foley,通过实验岩石学方法揭示蓝片岩部分熔融对碰撞后造山带岩浆活动的潜在影响。相关研究成果近日在线发表于国际固体地球权威期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。  

    发生在会聚板块的俯冲作用深刻影响着地球演化过程中的诸多地球化学和地球物理过程。俯冲大洋板块中的玄武岩,辉长岩和沉积物在相对浅的深度(20~50 km,0.6~1.2 GPa)变质为蓝片岩。当俯冲作用进行到更深且更高压力时,蓝片岩普遍被认为在部分熔融发生之前就会完全转变成石榴石角闪岩或榴辉岩。然而,并非所有蓝片岩都一定会被俯冲至地幔足够深的位置以使这种常规的进变质作用发生。在那些有大量较小的大洋板块和大陆地块组成的区域,例如新生代的地中海地区和现代的印度尼西亚,许多蓝片岩可能被卷入上升的混杂岩底辟中,或在地幔较浅位置以蓝片岩混杂岩形式与地幔难熔橄榄岩通过叠瓦作用混杂堆叠保存在一起,联同这些小的大洋板块及大陆地块一同在地幔形成一个新的岩石圈。这个新的岩石圈被认为是许多造山带岩浆岩的源区,尤其是那些在这一新岩石圈形成后仅20-50百万年即形成的碰撞后造山带钾质—超钾质岩浆岩。

  因此,长久以来固有的认为“在俯冲过程中蓝片岩绝不会达到部分熔融条件”的观念也许并不正确,在碰撞后造山环境中,且有上述新岩石圈形成的背景下,蓝片岩很可能在这种类型的混合岩石圈中发生相对低压条件下(≤2 GPa)的部分熔融。

图1. 蓝片岩在俯冲过程中的两种不同形式简易示意图。(a) 传统“深俯冲”模式,即蓝片岩最终被俯冲至地幔深部并被转化为角闪石岩或榴辉岩;(b) 碰撞后造山环境下的“浅俯冲”模式,即蓝片岩可能被卷入上升的混杂岩底辟中,或在地幔较浅位置以蓝片岩混杂岩形式与地幔难熔橄榄岩通过叠瓦作用混杂堆叠保存在一起,联同许多小的大洋板块及大陆地块一同在地幔形成一个新的岩石圈。

  针对上述问题,研究人员设计了一系列高温高压实验,首次系统调查了不同成因的蓝片岩在800~850℃,2GPa温压条件下的部分熔融行为。实验结果表明,初始蓝片岩的矿物组合虽然不同,但残留物均对应榴辉岩相。所有实验均生成含水富硅熔体(60~66 wt% SiO2),石榴石,斜方輝石、磷灰石和锆石。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。

  與玄武岩體系和榴輝岩體系相比,該研究表明,石榴石以及斜方輝石中LILE、LREE、Th、U、Nb和Ta的分配系數更高。在藍片岩脫水熔融過程中,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岩成因如何。在俯沖進變質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,在隨後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岩進變質途徑中其他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。

图2. 实验生成的蓝片岩熔体中关键微量元素比值特征,同时进行对比的包括地中海中西部地区及土耳其地区的碰撞后造山带岩浆岩、代表性大洋玄武岩以及大陆地壳。

  研究表示,並非所有藍片岩都一定會被俯沖得足夠深,從而被轉化爲角閃岩或榴輝岩;許多藍片岩可能被存儲在地幔岩石圈的淺層深度中,並以藍片岩的形態被保存下來,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。這種類型的熔體不同于通常討論的俯沖板片衍生流體(盡管是由其誘發的),因此會影響碰撞後造山帶岩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岩的相互作用等關鍵要素。

    该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/10.1029/2020JB019910

(同位素地球化學國家重點實驗室)

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