【科學(xué)網(wǎng)】俯沖下洋殼在地幔淺部的熔融行為獲揭示
中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所地幔地球化學(xué)學(xué)科組特任研究員王煜和中國(guó)科學(xué)院院士徐義剛設(shè)計(jì)了一系列高溫高壓實(shí)驗(yàn)，揭示了俯沖下洋殼在地幔淺部的熔融行為。相關(guān)研究近日在線發(fā)表于《地球物理研究雜志：固體地球》。
俯沖作用為地球帶來(lái)的最深遠(yuǎn)效應(yīng)之一是將地殼物質(zhì)引入深部地幔。目前，大量地球化學(xué)和巖石學(xué)研究證明幔源中可能存在其他巖性成分（例如：輝石巖、輝長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)角閃巖等），而不是之前廣泛認(rèn)為的單一的橄欖巖地幔源區(qū)。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(nèi)玄武巖成因中的作用越來(lái)越突出，但是目前還缺少對(duì)這一重要組分在地幔熔融過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)約束。
研究人員系統(tǒng)調(diào)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(shí)驗(yàn)的初始物質(zhì)選用采自中國(guó)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(jìn)行了高溫高壓部分熔融實(shí)驗(yàn)；同時(shí)進(jìn)行的還包括一系列下洋殼-純橄巖相互作用熔融實(shí)驗(yàn)，以了解下洋殼衍生熔體與地幔橄欖巖之間的反應(yīng)，并成功實(shí)現(xiàn)了下洋殼衍生熔體向純橄巖的滲透。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，俯沖下洋殼衍生熔體均為玄武質(zhì)且其成分隨熔融程度變化顯著。對(duì)于以石榴子石單斜輝石巖為初始物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，殘余礦物組合主要以單斜輝石和橄欖石為主；而對(duì)于以石榴子石二輝巖為初始物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，殘余礦物相中出現(xiàn)尖晶石。除過(guò)渡元素（Sc、V和Cr）外，所有關(guān)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(shù)與單斜輝石中IVAl含量呈較好正相關(guān)（尤其對(duì)于HREE）。除Cr和V外，尖晶石在下洋殼熔融過(guò)程中對(duì)微量元素配分的貢獻(xiàn)非常有限。
在較高壓力下，前人得出的單斜輝石和輝長(zhǎng)巖熔體和榴輝巖熔體之間幾乎所有微量元素的分配系數(shù)均遠(yuǎn)低于本研究結(jié)果，特別是Th、U和HREE。對(duì)于相互作用實(shí)驗(yàn)，除了兩個(gè)有鈣長(zhǎng)石出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(yīng)引起的成分變化在1GPa時(shí)仍然相對(duì)較小；這些下洋殼熔體很可能從上涌地幔中被提取出來(lái)，同時(shí)仍保留其微量元素和同位素印記。此外，研究發(fā)現(xiàn)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。
實(shí)驗(yàn)產(chǎn)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(duì)于在較高溫度下（如1300℃）進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)；此外，這些熔體還表現(xiàn)出明顯的Sr和Eu的正異常，而常規(guī)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(shí)別出明顯的Sr和Eu正異常，其成因應(yīng)受到來(lái)自輝長(zhǎng)巖或類似下洋殼的輝石巖熔融的影響；實(shí)驗(yàn)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(qū)中再循環(huán)組分的全巖微量元素成分特征。
該研究表明，下洋殼在地幔中的熔融過(guò)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(nèi)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(qū)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(xù)實(shí)驗(yàn)將在更高壓力（≥ 3 GPa）及更多組分條件下開(kāi)展。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1029/2020JB020673
