中国科大在俯冲带流体活动和流体性质方面取得新进展
近日，中国科大郑永飞院士团队陈伊翔特任教授研究组在俯冲带流体活动和流体性质方面取得新进展。他们通过对欧洲奥地利和匈牙利东阿尔卑斯造山带高压流体交代岩石的地球化学研究，在国际上首次发现了俯冲带深部同时存在两种性质差异巨大的交代流体：(1) d26Mg值异常低、富集大离子亲石元素特征的含碳酸盐沉积物来源流体；(2) d26Mg值异常高、亏损大离子亲石元素的富滑石蛇纹岩来源流体。这些结果对于理解碳酸盐在俯冲带流体中的行为、俯冲带Mg同位素体系以及汇聚板块边缘岩浆岩Mg同位素组成特征都具有重要意义。该成果已于2020年1月10日正式发表于国际地球科学顶级期刊Geochimica et Cosmochimica Acta上(https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.12.025)。
俯冲带是连接地球表生圈层和深部圈层的关键纽带，而俯冲带流体是实现俯冲板片和地幔楔橄榄岩物质迁移和能量交换的主要媒介。因此，制约俯冲带流体出现的时限、温度压力条件，确定流体的来源以及元素同位素组成，对理解俯冲带流体过程和地球化学效应至关重要。然而，俯冲带流体-岩石系统却异常复杂。俯冲带流体的组成受控于多种因素，包括俯冲带热结构、俯冲板片岩石原岩组成、变质温度压力条件等。这使得限定俯冲带流体来源和流体性质具有极大挑战性。目前对俯冲带流体中很多关键性质的认识仍极为有限。这些性质包括：流体中元素含量、同位素组成；流体中C-S-Fe-Zn等元素的价态和种型、流体的pH值和电导率等。
直面这些挑战，中国科大郑永飞院士团队陈伊翔特任教授研究组对欧洲阿尔卑斯造山带进行了持续深入研究，获得了系列创新成果(EPSL 2016, 456:157-167; Chem. Geol. 2017, 467: 177-195; GCA 2019, 267: 1-16)。最新研究通过选择东阿尔卑斯造山带高压流体交代岩石，结合多种地球化学手段，在俯冲带流体活动和流体性质方面获得新进展。他们研究发现了俯冲带深部存在含碳酸盐沉积物和富滑石蛇纹岩来源的两种性质差异巨大的交代流体，这两种流体在Mg同位素组成和主微量元素组成方面存在显著差别(图1)。
图1 东阿尔卑斯造山带高压流体交代岩石的Mg同位素与主微量元素组成之间的关系
该研究选取的对象为奥地利和匈牙利境内的东阿尔卑斯造山带浅色片岩(leucophyllite)、过渡型片麻岩(transitional gneiss)和围岩变花岗岩。通过岩石学观察和锆石学研究，结合前人结果，首先查明了浅色片岩和过渡型片麻岩的原岩为围岩变花岗岩，但在俯冲过程中经历了流体交代作用。为了确定交代流体的来源和性质，他们对这些岩石进行了全岩微量元素、Sr-Nd同位素和Mg-O同位素等多手段地球化学分析。他们发现过渡型片麻岩具有较高的Mg和大离子亲石元素含量、极轻的Mg同位素组成(d26Mg低至-1.3‰)，指示其经历了含碳酸盐沉积物来源的流体交代作用；浅色片岩具有高Mg、低Na、Ca和大离子亲石元素含量，以及极重的Mg同位素组成(d26Mg高达+0.3‰)，指示其经历了富滑石蛇纹岩来源的流体交代作用(图1)。这是国际上首次在俯冲带中发现Mg同位素组成具有巨大差异的两种来源的流体。
图2 东阿尔卑斯造山带俯冲板片-地幔楔界面高压流体交代示意图
结合前人岩石学和地球化学研究结果，特别是这些岩石较高的D同位素组成，他们进一步制约了这两种流体来自俯冲大洋板片的含碳酸盐沉积物、富滑石蛇纹岩等组成的混杂岩。这种混杂岩岩石组合在慢速/超慢速扩张洋脊比较常见。在俯冲过程中，这些不同类型的岩石变质脱水形成了具有不同Mg同位素组成和其它地球化学特征的流体，在一些强变形域形成流体通道交代了上覆的大陆地壳，从而使这些高压变质岩具有了极其独特的Mg同位素组成(图2)。据此，我们也提出了东阿尔卑斯造山带的构造演化模型(图2)。
这项研究揭示了大洋板片释放的流体对深俯冲大陆地壳的交代作用，对理解大洋俯冲到大陆碰撞过程具有重要帮助。同时，它对揭示高压条件下碳酸盐在俯冲带流体中的溶解行为也具有重要意义。前人研究发现一些汇聚板块边缘和板内岩浆岩、流体交代的造山带橄榄岩具有异常低的Mg同位素组成，指示其与具有极低d26Mg值特征的碳酸盐相关。然而目前对碳酸盐在俯冲带不同温度压力条件下的行为仍然知之甚少。最新的这项研究结果表明，高压条件下(1.0~1.3 GPa,500-600 oC)俯冲带流体也会显著溶解相对富Mg的碳酸盐(镁方解石或白云石)，从而使流体具有极低的Mg同位素组成(d26Mg < -1.3‰)。如果这种流体在大洋板片中普遍存在，它将会显著影响部分地幔楔的Mg同位素组成，形成低d26Mg的地幔楔。这种地幔楔在汇聚板块边缘或板内构造环境下熔融，则会形成具有低d26Mg的岩浆岩。
总之，这项成果通过结合多种地球化学手段，进一步开拓了识别俯冲带深部流体来源和性质的新思路，在国际上首次发现俯冲带深部存在异常低d26Mg值和异常高d26Mg值的两种不同来源的交代流体。这些结果对于理解碳酸盐在俯冲带流体中的行为、俯冲带Mg同位素体系以及汇聚板块边缘岩浆岩Mg同位素组成特征都具有重要意义。
这项研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项(B类)、中国科学院比较行星学卓越创新中心、中国科学院青年创新促进会和中央高校业务基金的支持。论文第一和通讯作者为我校地空学院陈伊翔特任教授。论文浏览地址：https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.12.025。