俯冲地壳物质再循环形式：液体还是固体？

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在板块构造理论建立之初的20世纪70-80年代，人们就将大洋弧玄武岩地球化学成分特点归咎于俯冲带地壳物质再循环，其中俯冲板片在弧下深度脱水熔融产生的流体为再循环地壳组分的载体，由此成为经典的流体交代模型。在进入21世纪之后，数值地球动力学模拟结果发现，再循环地壳物质可以固体混杂岩形式底辟进入地幔楔内部，然后在温度升高的条件下发生熔融并与周围橄榄岩发生反应，从而形成大陆弧安山岩浆；进一步，这个混杂岩底辟模型被扩大到俯冲带玄武质岩浆成分，忽视了地壳主要元素对镁铁质岩浆源区成分的影响。中国科学技术大学戴立群研究组对中国西北地区天山造山带两类晚古生代镁铁质火成岩的地球化学研究得到，再循环地壳组分的载体是液体而不是固体。

汇聚板块边缘是俯冲地壳向地幔进行物质传输和能量交换的主要场所，弧岩浆作用是大洋板块俯冲带的典型产物，记录了俯冲地壳物质加入到地幔楔的结果(郑永飞等, 2022)。大洋板块俯冲到弧下深度析出流体交代上覆地幔楔，所形成的交代岩成为镁铁质弧岩浆的源区，这样弧岩浆的成分取决于俯冲带流体成分(Zheng, 2019)，由此流体交代模型成为弧岩浆成因的经典模型。一般认为，俯冲地壳变质脱水和部分熔融产生的流体种型可以是富水溶液、含水熔体乃至超临界流体，它们是俯冲地壳组分的有效载体；地幔楔中的交代岩发生部分熔融，所产生的镁铁质岩浆上升到地表成为大洋弧玄武岩(Elliott et al., 1997; Elliott, 2003; Kessel et al., 2005)或者大陆弧安山岩(Chen and Zhao, 2017; Chen et al., 2021)。

然而，上述流体交代模型受到了近年来强调俯冲地壳固相物质进入地幔楔内部的混杂岩底辟模型的挑战 (Marschall and Schumacher, 2012; Nielsen and Marschall, 2017; Codillo et al., 2018; Cruz-Uribe et al., 2018)。地壳混杂岩底辟模型认为，在俯冲板片-地幔楔界面形成的地壳混杂岩上升进入地幔楔核部，在那里发生部分熔融是形成岛弧型岩浆的重要机制。该模型假设，所形成的熔体在主量元素组成上显示出从玄武质到流纹质的所有成分，在微量元素组成上显示出连续变化的趋势，在Sr-Nd同位素上落在MORB与沉积物的拟合曲线上。此外，Nielsen and Marschall (2017)认为，当底辟体形成时其地壳端元同位素组成已经被设定，后期发生部分熔融时只会造成元素之间的分异，而不会改变同位素组成。

这个混杂岩底辟模型可以解释大陆弧安山岩的微量元素和同位素地球化学成分，但是在应用到大洋弧玄武岩成分时忽视了地壳主要元素对镁铁质岩浆源区成分的影响(Zheng et al., 2020)。Li et al. (2022) 在俯冲板片熔融实验岩石学研究基础上建立的模拟计算表明，全球岛弧玄武岩的微量元素特征与板片熔体成分密切相关，不能用富水溶液或者混杂岩熔体作为地壳组分的载体来解释；板片地壳发生部分熔融的温度变化导致元素分异，可以解释大洋弧玄武岩中元素比值之间存在的幂函数相关性，因此板片熔体是大洋弧玄武岩中俯冲地壳物质再循环的载体。

显然，目前关于俯冲地壳物质加入地幔楔镁铁质弧岩浆源区的形式及其相关的壳幔相互作用机制还存在很大争议。为了解决这个问题，中国科学技术大学郑永飞院士团队戴立群教授研究组以中国西北地区天山造山带尼勒克南部两类晚古生代镁铁质火成岩作为研究对象 (图1)，对其全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf-Li同位素以及锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素进行了详细的分析(Ma et al., 2023)。结合微量元素-同位素定量模拟，他们得到俯冲地壳物质主要以流体形式加入两类镁铁质火成岩的地幔源区，而非混杂岩底辟的形式。在此基础上他们识别出，俯冲板片(洋壳玄武岩+远洋沉积物)来源富水溶液加入辉长闪长岩的地幔源区，而俯冲远洋沉积物来源的含水熔体加入了闪长岩脉的地幔源区。

图1. (a) 中亚造山带主要构造单元地质简图; (b) 中国西天山造山带地质简图; (c) 西北天山尼勒克及其邻近地区地质简图。

Ma et al. (2023)根据岩相学和地球化学成分，将尼勒克南部的两类镁铁质火成岩分为辉长闪长岩和闪长岩脉。辉长闪长岩的锆石U-Pb定年给出317-320Ma的结晶年龄，闪长岩脉的榍石U-Pb定年给出307Ma的结晶年龄。全岩及矿物地球化学分析显示，辉长闪长岩具有低SiO₂ (50.9–53.5 wt.%)和高MgO (4.96–6.49 wt.%)的特征，表现出岛弧型微量元素特征(图2c和2d)、相对亏损的放射性成因Sr-Nd-Hf同位素组成、高于地幔值的锆石O同位素组成，以及明显重于地幔值的Li同位素组成。相比之下，闪长岩脉具有高SiO₂ (55.8–58.4 wt.%)和低的MgO (2.62–3.18 wt.%)的特征，富集Rb、Ba、Th、U和K等微量元素以及更高的微量元素含量，相对富集的Sr-Nd-Hf同位素, 以及与地幔值重叠但趋于更重Li同位素组成。这些特征都表明，这两类镁铁质火成岩的地幔源区中有地壳物质的加入。

图2. 辉长闪长岩和闪长岩脉的TAS图解(a), Sr-Nd (b), 稀土元素(c), 微量元素(d)组成。

Ma et al. (2023)对同一露头上采集的两类镁铁质火成岩进行分析，发现它们显示出明显不同的地球化学特征，在微量元素分布蛛网图上不是连续变化而是不连续且明显分异，辉长闪长岩富集 Rb、Ba、K、Pb和Sr等流体活动性元素，而闪长岩脉明显富集Th、Zr和Hf等熔体活动性元素。此外，辉长闪长岩具有高的Sr/Th、K/Nb、Ba/Th和Rb/Nb比值，但是低的Th/Nd、Th/La和Th/Yb比值；闪长岩脉正好与之相反。此外，这两类镁铁质火成岩的Li同位素与Hf-Nd同位素变化显著。这种流体活动性元素与熔体活动性元素之间的显著分异以及同位素组成的明显变化都与流体交代产物的地球化学特征十分相似，而与混杂岩底辟模型不符。

尽管混杂岩底辟模型认为也能造成元素的分异，但是需要考虑地幔温度条件下混杂岩熔融在主量元素上如何贡献到弧岩浆的源区，而且如何实现在微量元素的分异和同位素的分馏。Ma et al. (2023)对Sr-Nd同位素以及Nd同位素与Sr/Th和Rb/Nb比值的模拟显示，中国天山的这两类镁铁质火成岩并没有落在MORB与沉积物的拟合线上。尽管这两类镁铁质火成岩落在了Sr/Th vs. Th/Nd与Ba/Th vs. Th/Yb的拟合线上，但显示出的较大比例沉积物组分是不切实际的 (图3)。这些特征表明，板片物质并非以混杂岩底辟的形式贡献到弧岩浆的源区。

图3. (a) Sr/Th-Th/Nd, (b) K/Nb-Th/La, (c) Ba/Th -Th/Yb, (d) Rb/Nb-Nb/U, (e) Sr/Th-εNd(t)和(f) Rb/Nb-εNd(t)比值图解。

Ma et al. (2023)发现，这两类镁铁质火成岩最显著的特征是板片流体指标与Li同位素之间具有明显的相关性。辉长闪长岩的重Li同位素组成伴随有高的Rb/Nb和Sr/Nd比值以及低的Nb/U、Th/La、Th/Nd和Th/Yb比值，而闪长岩脉相对轻的Li同位素组成伴随有低的Rb/Nb和Sr/Nd比值以及高的Nb/U、Th/La、Th/Nd, 和Th/Yb比值 (图4)。这一特征与Tonga-Kermadec岛弧火山岩的两个特征一致(Wu et al., 2020)：(1) 重Ba同位素组成伴随有升高的Ba/Th比值；(2) 轻的Ba同位素组成伴随有升高的Th/Yb和Th/La比值。由此可以认为，这两类镁铁质火成岩在地球化学成分上的差异是由不同性质板片流体交代地幔楔所引起的。

Ma et al. (2023)对Li同位素与Rb/Nb、Sr/Nd、Nb/U、Th/La、Th/Nd和Th/Yb等比值之间关系的模拟显示，这两类镁铁质火成岩不落在或者不能合理地落在MORB与沉积物的拟合曲线上 (图4)。因此，这两类镁铁质火成岩的地球化学特征表明，俯冲地壳物质主要以流体形式贡献到其地幔源区，而非混杂岩底辟形式。

图4. 辉长闪长岩和闪长岩脉的Rb/Nb (a), Sr/Nd (b), Nb/U (c), Th/La (d), Th/Nd (e) 和 Th/Yb (f) 与 δ⁷Li图解。

此外，对于混杂岩底辟模型仍存在一些关键问题值得考虑：(1) 底辟体以固体形式被传输到冷的地幔楔核部的过程中如何被均匀混合？(2) 底辟体在地幔楔内部如何被加热并先于橄榄岩发生部分熔融？(3) 部分熔融过程中主量元素和微量元素如何实现差异化地球化学分异，使得它们能够同时满足质量平衡？(4) 底辟体如何在受挤压的条件下进入地幔楔核部，而不需要俯冲板片-地幔楔界面从挤压体制转换到拉张体制？

Ma et al. (2023)在区分出俯冲地壳物质以流体形式加入到镁铁质火成岩地幔源区的基础上，进一步识别出俯冲板片来源流体的种型。辉长闪长岩富集Rb、Ba、K、Pb和Sr等元素，具有高的Sr/Th、K/Nb、Ba/Th和Rb/Nb比值以及低的Th/Nd、Th/La和Th/Yb比值，相对亏损放射成因Sr-Nd-Hf同位素，Hf-Nd同位素解耦，并具有重于地幔值的锆石O同位素组成和全岩Li同位素组成，指示其地幔源区主要受到了俯冲玄武质洋壳和远洋沉积物来源富水溶液的交代。相比之下，闪长岩脉富集Th、Zr和Hf等元素，具有低的Sr/Th、K/Nb、Ba/Th和Rb/Nb比值以及高的Th/Nd、Th/La和Th/Yb比值，相对富集放射成因Sr-Nd-Hf同位素，Hf-Nd同位素解耦，并具有与地幔值重叠但趋于更重Li同位素组成，指示其地幔源区主要受到了也已脱水的远洋沉积物来源含水熔体的交代。

Ma et al. (2023)提出，远洋沉积物的加入既能在脱水过程中为辉长闪长岩提供重的Li同位素，也能使其脱水后的残留体保持相对较重的Li同位素并贡献到闪长岩脉的地幔源区。进一步，全岩微量元素和Sr-Nd-Li同位素模拟计算显示，辉长闪长岩的地幔源区中含有8%蚀变玄武质洋壳来源的富水溶液和3-7%远洋沉积物来源的富水溶液，闪长岩脉体的地幔源区含有3-5%远洋沉积物来源的含水熔体。

因此，西北天山尼勒克两类镁铁质火成岩的形成机制可能是(图5)：在晚石炭世之前，南向俯冲的古北天山洋板片来源的富集溶液和含水熔体与地幔发生交代反应，所形成的交代岩分别成为辉长闪长岩和闪长岩脉体的地幔源区；在晚石炭世弧陆碰撞过程中，这些地幔交代岩由于俯冲板片回卷发生部分熔融，从而形成这两类镁铁质岩火成岩石。通过对这两类镁铁质火成岩的研究，Ma et al. (2023)认为其差异性的地球化学特征记录了俯冲地壳物质以流体的形式贡献到它们的地幔源区，而非混杂岩固体底辟形式。

图5. 西北天山尼勒克两类镁铁质火成岩的成因模式。

本文研究得到国家自然科学基金和中国科学院项目的支持。论文第一作者为中国科学技术大学地球化学博士后马利涛，通讯作者为岩石地球化学教授戴立群。

论文信息：

Ma, L.-T., Dai, L.-Q., Zheng, Y.-F., Zhao, Z.-F., Gong, B., Xiao, Y.L. and Tong, F.T. (2023) Trace elements and Li isotopes distinguish between liquid and solid phases contributing to mafic arc magmas. Lithos, 107232.

论文链接：

https:///10.1016/j.lithos.2023.107232.

引用文献及扩展阅读

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作者丨马利涛

编辑丨胡邺丹