大陆俯冲带超高压变质岩部分熔融研究进展

20 世纪 60 年代建立起来的板块构造理论是地球科学发展的一个里程碑,它极大地改变了人类对地球运作机制的认识,成为 20 世纪自然科学的重大进展之一(Zheng, 2018)。按照传统的板块构造理论,大陆地壳由于其密度低,不可能俯冲到高密度的地幔中(郑永飞等, 2015)。然而,上世纪 80 年代地球科学家分别在西阿尔卑斯和挪威西部的变质表壳岩中,发现了超高压变质矿物柯石英(Chopin, 1984; Smith, 1984),证明大陆地壳曾俯冲到至少80 km 的地幔深度并发生超高压变质作用,然后折返地表。随着新的超高压指示矿物和特殊出溶结构的发现(如金刚石、α-PbO2结构的金红石、超硅石榴石、超硅榍石、富 Si 和 K 的单斜辉石、菱镁矿、单斜辉石中出溶斜顽辉石、斯石英假象等) ( Sobolev and Shatsky, 1990; Xu et al. , 1992),大陆地壳的俯冲深度被不断刷新,从 80 km 到 300 km 以上。

此外,长英质片麻岩锆石中柯石英包裹体的不断发现(Liu and Liou, 2011),证明大规模的低密度长英质岩石曾整体俯冲到地幔深度发生超高压变质,然后又折返回浅部地壳。三十余年来,地球科学家相继在全球大陆碰撞造山带中发现了二十多个超高压变质地体 ( Liou et al. , 2009; Zheng and Chen, 2016)。大陆深俯冲和超高压变质作用研究不仅发展了板块构造理论,而且推进了大陆动力学研究。

俯冲到地幔深度的地壳物质不可避免地在板片-地幔界面与地幔楔发生相互作用,由此形成的超镁铁质交代岩可作为造山带镁铁质火成岩的地幔源区。

大洋板块俯冲过程中经历变质脱水甚至部分熔融,释放的熔流体交代上覆地幔楔并导致大规模岛弧岩浆活动。与洋壳相比,陆壳具有相对古老、干和冷的特征,因而在俯冲过程中很难发生显著的脱水和熔融过程。但是,在深俯冲陆壳折返阶段部分熔融比较普遍,产生的长英质熔体不仅可以形成同折返花岗岩,而且可以作为交代介质交代不同层位和性质的地幔。大陆碰撞造山带既经历了先前的洋壳俯冲,也经历了随后的陆壳俯冲,这些熔流体活动与板片内外的岩石反应,会记录在不同类型的变质岩和岩浆岩中。造山带橄榄岩可能保存有这些过程的直接记录,而不同阶段岩浆作用产生的镁铁质岩浆岩则间接记载了这些过程。

尽管近年来在大陆俯冲带超高压岩石部分熔融和壳幔相互作用等方面取得了重要进展,但仍有许多重要科学问题有待解决,这些问题包括:

①大陆碰撞过程中超高压岩石部分熔融与造山带构造演化过程之间的联系?

②原岩组成、熔融温度压力、熔融机制和副矿物等因素对熔体组成有什么影响?

③岩浆过程,如熔体提取、迁移和聚集,对熔体组成及其演化有什么影响?

④高压-超高压条件下不平衡部分熔融对熔体放射成因同位素组成的影响?

⑤不同类型俯冲板片来源熔流体对橄榄岩交代作用发生的时空条件、过程、机制及其产物?

⑥俯冲带熔流体如何改造地幔楔的物理性质?

⑦俯冲板片熔流体交代橄榄岩过程中挥发性元素迁移机制及其与地幔楔氧逸度变化和造山带岩浆岩成分的联系?

⑧大陆与大洋俯冲带在物质循环上的异同点?

⑨大陆俯冲带壳幔相互作用发生机制和时间?

⑩俯冲带熔流体活动如何影响上覆地幔楔,在不同阶段造山带中岩浆岩中的响应是什么?

未来的研究需要聚焦俯冲带熔流体活动和壳幔相互作用,将俯冲带变质作用、交代作用和岩浆作用三者有机地结合起来,通过矿物学、岩石学、地球化学等多学科和现代原位微区分析技术、实验研究、数值模拟等手段的综合研究,打通宏观与微观、浅表与深部、现今地球与地质历史之间的连接,查明俯冲带变质作用、交代作用、岩浆作用,揭示包括挥发分在内的各种元素在地球内部的迁移过程、机制及其环境和资源效应,全面深入认识俯冲带壳幔相互作用的化学地球动力学机制和过程及其控制因素。

题目：  大陆俯冲带超高压变质岩部分熔融与壳幔相互作用研究进展 

作者：  赵子福，陈仁旭，陈伊翔，戴立群，郑永飞