近日，我校地球和空间科学学院陈伊翔特任教授研究组在俯冲带深部熔体的地球化学组成方面取得重要进展。相关成果发表于国际地球化学领域权威学术期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》。
板块构造和长英质地壳的存在是地球区别于太阳系其它类地行星的关键标志。俯冲带过程是板块构造的核心，而俯冲带深部板片部分熔融的熔体组成对理解地壳化学分异和壳幔系统演化具有重要意义。同时，这也为理解类地行星的岩浆活动方式及岩浆成分变化特征提供参照。
前人对陆壳在高压-超高压条件下的部分熔融行为和熔体组成有了较多实验研究。然而由于天然岩石体系的复杂性，对不同组分体系岩石在俯冲带深部部分熔融的熔体组成及其控制因素的认识仍然较为薄弱，尤其缺乏天然样品的直接测量证据。苏鲁造山带是世界上典型的大陆碰撞造山带，其中出露的部分超高压变质岩在折返过程中经历了部分熔融作用。这些岩石为揭示俯冲带深部部分熔融熔体特征提供了理想研究对象。
我们对苏鲁造山带仰口地区出露的花岗质岩脉进行了深入研究，发现这些岩脉含多硅白云母、金红石和石榴石，在Sr–Nd–O同位素组成上与区域花岗片麻岩接近，指示它们主要由花岗片麻岩部分熔融产生（图1）。锆石U–Pb年代学揭示，花岗质岩脉形成年龄为216–222 Ma，稍晚于超高压岩石峰期变质年龄，指示片麻岩部分熔融发生于深俯冲岩片的早期折返阶段。根据多硅白云母压力计限定花岗质岩脉结晶于高压-超高压条件(1.9–3.0 GPa)，这也与花岗岩脉中含金红石和石榴石的矿物学证据一致。
图1 (a) 花岗岩脉与相邻的榴辉岩在Nd-O同位素图解上有显著差异；(b) 不同花岗岩脉Nd同位素变化出现不平衡现象；(c-d) 花岗岩脉的Nd同位素与全岩轻稀土元素及P2O5呈现较好相关性，指示磷灰石等副矿物的贡献。
这些过铝质花岗岩脉均富集大离子亲石元素、亏损Nb、Ta、Ti等高场强元素，具有较高的轻稀土元素含量和Eu负异常，与苏鲁威海及其它地区混合岩中浅色体的微量元素特征有明显区别。这与仰口花岗质岩脉更高的形成压力，以及深熔过程中磷灰石、帘石等副矿物在熔体中较高的溶解度有关。花岗质岩脉的地球化学组成与压力呈现良好正相关关系（图2），指示压力条件对熔体成分具有显著影响。从部分熔融机制和过程上看，压力对熔体成分的影响与矿物的稳定性和在熔体中的溶解密切相关。在高压-超高压条件下，多硅白云母、碱性长石、单斜辉石等的稳定性控制着深熔熔体的K/Na、A/CNK、LILE等特征。
图2 (a) 花岗质岩脉中多硅白云母成分对应计算的压力结果范围，两组样品分别为1.7–2.4 GPa和2.6–3.1 GPa；(b-i) 形成压力与全岩组分相关图解，图中各组分与压力呈现很好相关性。
图3 (a-b) 花岗岩脉中磷灰石和帘石的成分特征图解；(c-d) 花岗岩脉的Sr/Y-Y图解以及(La/Yb)N-YbN图解。
在高压-超高压条件下(>1.5 GPa)，更高压力下形成的熔体更偏过铝质，这也进一步促进了磷灰石、绿帘石等副矿物的溶解，使熔体中磷和轻稀土元素等组分升高，而这些高Sm/Nd比值的磷灰石的加入会导致熔体εNd(t)值升高，形成了观察到的Nd同位素不平衡现象（图1）。这些样品中深熔锆石的Hf同位素组成相对残留核显著升高，同样也指示了石榴石以及磷灰石等矿物的重要贡献。
这些高压-超高压成因的花岗质脉体具有低Sr/Y和(La/Yb)N比值，与同为高压/超高压榴辉岩相部分熔融产物的埃达克质化学组成有明显区别（图3）。通常对于变基性岩体系，高压熔融过程中石榴石作为主要残留相被认为是导致高Sr/Y和(La/Yb)N的主要机制。然而对于变花岗岩体系，石榴石并非主要残留相，其它一些富Sr和稀土的副矿物如磷灰石等的贡献更加重要。因此，只有在充分考虑具体的研究体系和对象的前提下，才能对Sr/Y和(La/Yb)N比值等地球化学指标的地质意义进行准确解释。
这项研究结果通过对典型碰撞造山带的天然样品研究，查明了在高压-超高压条件下长英质岩石部分熔融的熔体组成，揭示了其与压力和副矿物行为之间的内在联系。板块构造体制下，俯冲带深部长英质岩石的部分熔融主要通过降压折返过程中含水矿物脱水熔融的方式产生，这可能与其它类地行星（如火星）非板块构造体制下的岩浆作用特征显著不同，对认识类地行星的岩浆作用及岩浆成分变化规律具有一定的参照意义。
上述成果发表于国际地球化学领域权威学术期刊Geochimica et Cosmochimica Acta，论文第一作者是博士后周琨，通讯作者是陈伊翔特任教授。该成果获得了中国科学院战略性先导科技专项(XDB41000000)、国家自然科学基金(41622302)、中国科学院青年创新促进会(2014300)和中央高校基本科研业务基金的支持。
论文信息：Zhou, K., Chen, Y-X., Ma, H-Z., Zheng,Y-F., Xia, X-P., 2020. Geochemistry of high-pressure to ultrahigh-pressuregranitic melts produced by decompressional melting of deeply subducted continentalcrust in the Sulu orogen, east-central China. Geochimica et Cosmochimica Acta 288,214-247. https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.08.005