深俯冲陆壳水致熔融诱发的地幔交代作用获揭示

 

中国科学院广州地球化学研究所高名迪、王煜，联合中国地质大学（武汉）教授续海金、澳大利亚麦考瑞大学教授Stephen Foley，通过高温高压实验手段，揭示了大陆碰撞造山带内，深俯冲大陆地壳与地幔相互作用的反应机制。近日，相关成果发表于Geology。

该研究发现，在实验超高压条件下（5GPa），俯冲长英质陆壳可以以流体或熔体为介质与地幔反应。当交代介质为流体时，反应产物主要为斜方辉石+金云母+钾碱镁闪石。而当陆壳发生熔融，交代介质变为熔体时，交代产物随反应温度升高逐渐由斜方辉石+金云母转变为斜方辉石+石榴子石。脱水熔融条件下，这一相转变温度在1000-1100 oC之间，而在水饱和熔融条件下，这一相转变温度降至800-900 oC之间。实验结果显示，在相似温压条件下，只有陆壳水饱和熔融才能诱发这些交代矿物的形成。进一步证明超高压条件陆壳的水致熔融是诱发大陆俯冲带壳幔作用的一种重要机制。

传统观点认为，俯冲古老陆壳是相对贫水的。而该研究结果证明，陆壳即使俯冲至超高压条件下，局部乃至整体仍然是较为富水的。在高压-超高压条件下，蛇纹石、硬柱石以及绿泥石是这些基性-超基性块体中常见的含水矿物，其水含量可达～10 wt%。其中，绿泥石具有最高的稳定温度，因此是诱发长英质陆壳水致熔融最有可能的水的来源。研究人员进一步结合陆壳俯冲温压轨迹，将陆壳熔融及熔体-地幔相互作用过程概括如下：首先，随着俯冲作用进行，俯冲陆壳温压会先后越过花岗岩湿固相线以及绿泥石稳定域。此时，陆壳中含绿泥石的组分会发生绿泥石分解进而释放流体。由于此时温度高于花岗岩湿固相线，释放的流体可诱发以长英质岩石为主体的陆壳大规模熔融，产生熔体进一步与上覆地幔楔反应形成了石榴辉石岩交代体。

该研究对于认识理解地球深部水循环，以及壳-幔物质交换过程有着重要启示意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1130/G51547.1