中国科大在俯冲带深部流体来源和演化方面取得新进展

最近，中国科大地空学院郑永飞院士团队陈伊翔教授研究组在俯冲带深部流体来源和演化方面取得新进展，相关成果发表在国际地球化学权威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上。

俯冲带是地球内部圈层与外部圈层之间进行物质循环和能量交换的关键地带。俯冲带发生的一系列地质过程都与流体活动密切相关，因此对俯冲带流体的来源、性质以及流体-岩石相互作用的研究，是理解壳幔相互作用、制约地球壳幔系统地球化学演化的关键所在。然而，示踪俯冲带深部流体来源与性质存在巨大挑战。这主要是因为俯冲带中岩石类型复杂、流体活动受温度压力影响大，同时复杂的流体-岩石相互作用也会改变流体本身的地球化学组成。

西阿尔卑斯造山带是世界上最经典的超高压变质带之一，是现代地质学的摇篮，有超过200年的研究历史。尤其是Dora Maira地体，它是人类第一次在大陆碰撞带表壳变质岩（白片岩）中发现柯石英这个超高压变质矿物的地方，开启了研究大陆深俯冲和超高压变质的序幕。该研究区出露白片岩、硬玉石英岩等典型超高压变质岩石。前人针对这个区域的岩石学、同位素年代学和地球化学以及大地构造演化等基础方面进行了较多研究，为有效应用同位素地球化学方法（如Fe-O同位素）示踪俯冲带流体活动奠定了基础。

我们对西阿尔卑斯Dora Maira地体中白片岩中包裹的硬玉石英岩、围岩花岗片麻岩进行了全岩主微量元素和Fe-O同位素分析以及锆石U-Pb定年和微量元素分析，通过对比不同类型岩石的岩石地球化学特点，得到如下主要结论：

1. 尽管Chopin (1984)在Dora Maira地体白片岩中首次发现柯石英，但对该区域的围岩花岗片麻岩是否也经历了超高压变质作用并不清楚。针对这个问题，前人只有零星的基于矿物组合的推测。我们首次在该区花岗片麻岩的锆石中发现柯石英包裹体，为围岩经历超高压变质和深俯冲作用提供了确凿证据（图1）。

图1 西阿尔卑斯造山带花岗片麻岩(17474)和硬玉石英岩(17665)中锆石特征。在两类岩石的锆石中都发现了柯石英包裹体。

2. 对含柯石英锆石域进行U-Pb定年，得到花岗片麻岩和硬玉石英岩与之前报道的白片岩(Chen et al., 2016-EPSL, 2017-CG)具有一致的超高压变质年龄，指示该区不同类型的岩石经历了一致的大陆深俯冲过程。这对揭示Dora Maira地体的构造演化具有重要意义。

3. 大陆俯冲带中硬玉石英岩的形成通常认为是流体中直接沉淀或经历流体交代形成。针对Dora Maira地体硬玉石英岩，前人推测是花岗片麻岩在超高压条件下部分熔融形成。基于硬玉石英岩的全岩稀土分配型式、残留岩浆锆石U-Pb年龄和氧同位素组成，我们发现这些特征与花岗片麻岩和白片岩都非常一致，指示其原岩都是花岗岩。然而，硬玉石英岩的全岩δ¹⁸O值(7.9-8.7‰)相对于原岩(9.5-10.9‰)显著降低，变质锆石的δ¹⁸O值(6.1-7.3‰)也显著低于残留岩浆锆石(9.4-10.6‰)，指示外来相对低δ¹⁸O流体的交代（图2）。同时，硬玉石英岩具有极重的铁同位素组成，δ⁵⁶Fe值为0.69–0.87‰，显著高于围岩片麻岩和全球花岗岩的组成（图3）。因此，综合Fe-O同位素组成，硬玉石英岩不可能是前人提出的花岗片麻岩部分熔融的产物，而是大陆深俯冲过程中流体交代的产物。

图2. 花岗片麻岩和硬玉石英岩的锆石U-Pb年龄、微量元素及氧同位素组成

图3. 西阿尔卑斯硬玉石英岩及相关的白片岩、花岗片麻岩的Fe-O同位素组成

4. Chen et al. (2019) 对Dora Maria地体白片岩和围岩进行了系统Fe同位素研究，发现白片岩显著升高的δ⁵⁶Fe值、降低的Fe含量及Fe³⁺/∑Fe可以应用瑞利分馏模型来解释。然而，模拟发现该模型很难解释硬玉石英岩较高的Fe含量及高Fe³⁺/∑Fe，表明形成硬玉石英岩与寄主白片岩的交代流体并不相同。结合硬玉石英岩的野外产出特征（包裹在白片岩中）、前人发现白片岩产生的流体与花岗片麻岩发生反应的矿物学证据，以及硬玉石英岩的全岩Fe-O同位素落在白片岩及其围岩之间（图3），推测形成硬玉石英岩的交代流体很可能来自白片岩的变质脱水作用。结合前人的实验模拟和流体包裹体研究，揭示了交代流体为峰期超高压变质条件下（~4 GPa, 720℃）白片岩脱水释放的含大量溶质(50~60%)、具有较高Mg和Fe含量的超临界流体。通过两端元混合模拟，揭示该超临界流体具有高δ⁵⁶Fe和较低δ¹⁸O的特征（图4）。

图4. 西阿尔卑斯硬玉石英岩形成的两端元混合模拟

5. 我们之前的研究揭示，Dora Maira地体白片岩形成于进变质过程中俯冲表壳岩受到蛇纹岩脱水流体的交代作用，形成了富Mg、具有极高δ²⁶Mg值的白片岩（Chen et al., 2016-EPSL）。在随后的大陆深俯冲过程中，这些受交代的白片岩变质脱水产生的流体与花岗片麻岩进一步反应形成了硬玉石英岩。对这些岩石的多同位素体系联合制约，揭示了大陆俯冲带流体的复杂来源和多阶段的水岩相互作用。

这项工作的创新性体现在：（1）充分展示了结合金属稳定同位素和气体稳定同位素的各自优势在示踪俯冲带复杂流体来源和活动特征上的潜力；（2）在西阿尔卑斯造山带经典地区取得了创新成果，推动了西阿尔卑斯造山带岩石成因和构造演化的新认识；（3）揭示了俯冲带深部发生的多阶段流体岩石-相互作用，发现地壳交代岩会进一步脱水释放流体，影响深俯冲陆壳乃至地幔楔及岛弧岩浆的地球化学组成；（4）揭示了俯冲带深部超临界流体与岩石相互作用的效应，对理解超临界流体的地球化学组成具有潜在意义。

相关成果发表在国际地球化学权威期刊Geochimica et Cosmochimica Acta，论文第一作者是中国科学技术大学博士研究生熊家伟，通讯作者为中国科学技术大学郑永飞院士团队的陈伊翔教授。该研究得到国家重点研发计划、中科院战略性科技先导专项、国家自然科学基金委、中科院青年创新促进会等的资助。

论文信息：

Xiong J.-W., Chen Y.-X.*, Zhou K., Schertl H.-P.,Zheng Y.-F., Huang F., Xia X.-P. and Chen Z.-W. (2021) Fe and O isotopes incoesite-bearing jadeite quartzite from the Western Alps record multistagefluid-rock interactions in a continental subduction zone. Geochim.Cosmochim. Acta312, 1-24.

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721004725