廣州地化所揭示俯沖下洋殼在地幔淺部的熔融行為
中國科學院廣州地球化學研究所地幔地球化學學科組特任研究員王煜和中國科學院院士徐義剛設計了一系列高溫高壓實驗，揭示了俯沖下洋殼在地幔淺部的熔融行為。相關研究成果于近日發表在國際固體地球權威期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。
俯沖作用為地球帶來的最深遠效應之一是將地殼物質引入深部地幔。目前，大量地球化學和巖石學研究證明幔源中可能存在其他巖性成分（例如：輝石巖、輝長巖、斜長角閃巖等），而不是之前廣泛認為的單一的橄欖巖地幔源區。其中，作為俯沖板片的重要組成部分，俯沖下洋殼在研究洋中脊和板內玄武巖成因中的作用越來越突出，但是目前還缺少對這一重要組分在地幔熔融過程中的實驗巖石學約束。
研究人員系統調查了俯沖下洋殼在地幔不同深度的熔融行為及其與周圍地幔橄欖巖的相互作用。首批實驗的初始物質選用采自中國東北蛟河堿性玄武巖中的天然輝石巖捕虜體樣品，在1GPa，1100-1300℃ 的溫壓條件下進行了高溫高壓部分熔融實驗；同時進行的還包括一系列下洋殼-純橄巖相互作用熔融實驗，以了解下洋殼衍生熔體與地幔橄欖巖之間的反應，并成功實現了下洋殼衍生熔體向純橄巖的滲透。
實驗結果表明，俯沖下洋殼衍生熔體均為玄武質且其成分隨熔融程度變化顯著。對于以石榴子石單斜輝石巖為初始物質的實驗，殘余礦物組合主要以單斜輝石和橄欖石為主；而對于以石榴子石二輝巖為初始物質的實驗，殘余礦物相中出現尖晶石。除過渡元素（Sc、V和Cr）外，所有關鍵微量元素在單斜輝石中都呈不相容，且明顯更相容重稀土元素（HREE）（DLu/DLa >> 1）；稀土元素的分配系數與單斜輝石中IVAl含量呈較好正相關（尤其對于HREE）。除Cr和V外，尖晶石在下洋殼熔融過程中對微量元素配分的貢獻非常有限。
在較高壓力下，前人得出的單斜輝石和輝長巖熔體和榴輝巖熔體之間幾乎所有微量元素的分配系數均遠低于本研究結果，特別是Th、U和HREE。對于相互作用實驗，除了兩個有鈣長石出現的實驗外，下洋殼衍生熔體都成功滲入周圍的純橄巖中。然而，下洋殼衍生熔體中與純橄巖反應引起的成分變化在1GPa時仍然相對較小；這些下洋殼熔體很可能從上涌地幔中被提取出來，同時仍保留其微量元素和同位素印記。此外，研究發現代表下洋殼的輝石巖與純橄巖之間的分離熔體在較低熔融程度可能更富鉀。
圖1. 背散射電子和X射線元素圖像顯示發生部分熔融的輝石巖和未熔融的純橄巖之間的主量元素成分分布，可以明顯看到兩種不同巖性之間的分離熔體富集鉀。
實驗產生的下洋殼熔體具有高La/Sm、Eu/Eu*、Nb/Ta和Ba/Th的特征，特別是對于在較高溫度下（如1300℃）進行的實驗；此外，這些熔體還表現出明顯的Sr和Eu的正異常，而常規橄欖巖和輝石巖熔體都不具備這種特征。大洋玄武巖中若識別出明顯的Sr和Eu正異常，其成因應受到來自輝長巖或類似下洋殼的輝石巖熔融的影響；實驗證明，幔源巖漿巖中Sr-Eu特征在很大程度上取決于地幔源區中再循環組分的全巖微量元素成分特征。
圖2. 實驗生成的下洋殼熔體球粒隕石歸一化稀土元素組成特征，同時進行對比的包括中國東北雙遼玄武巖、東太平洋隆起洋中脊玄武巖以及夏威夷洋島玄武巖。
該研究表明，下洋殼在地幔中的熔融過程的確可以為幔源巖漿提供代表性的微量元素特征如Sr和Eu正異常及一致的Nb/Ta和Zr/Hf比值，但它不能解釋MORB、OIB和大陸板內玄武巖（例如雙遼玄武巖）中主量元素成分的變化特征。除俯沖下洋殼和純橄巖外，源區中必須有其他組分去限定這些玄武巖中的主量元素成分特征（如高FeOT和TiO2含量）。后續實驗將在更高壓力（≥ 3 GPa）及更多組分條件下開展。
該項目獲得了中國科學院B類先導專項，國家自然科學基金，中國科學院青年創新促進會專項基金及廣東省自然科學基金等聯合資助。
