俯沖帶是殼幔物質(zhì)能量交換的重要場(chǎng)所之一。自上世紀(jì)80年代以來(lái)，大陸表殼巖石中柯石英、金剛石等高壓-超高壓礦物的發(fā)現(xiàn)，證明低密度的大陸地殼同樣可俯沖至深部地幔繼而折返至地殼深度。然而，俯沖陸殼在物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)上與洋殼存在著顯著不同，其與地幔相互作用的過(guò)程仍存有諸多未知。例如，在大別-蘇魯以及挪威西片麻巖省等超高壓地體中，陸殼脫水及熔融主要發(fā)生于減壓折返階段；然而這些地體產(chǎn)出的造山帶橄欖巖及輝石巖普遍記錄了高壓-超高壓（4-6 GPa）條件下陸殼熔/流體交代事件。

　　中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高溫高壓實(shí)驗(yàn)學(xué)科組高名迪博士、地幔地球化學(xué)學(xué)科組王煜研究員，聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）續(xù)海金教授、澳大利亞麥考瑞大學(xué)Stephen Foley教授，通過(guò)在5 GPa，800-1100 ^oC溫壓條件下開展的一系列長(zhǎng)英質(zhì)片麻巖-橄欖巖相互反應(yīng)高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究，為厘清超高壓條件下俯沖陸殼與地幔的相互作用過(guò)程及機(jī)理提供了全新實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)約束。

　　 研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件下，溫度低于片麻巖固相線時(shí)交代地幔介質(zhì)為富水流體（aqueous fluid），與橄欖巖反應(yīng)產(chǎn)物主要為斜方輝石+金云母+鉀堿鎂閃石（圖1）。溫度高于固相線條件下交代介質(zhì)為含水熔體（hydrous melt）。同時(shí)隨片麻巖熔融程度增加，主要交代產(chǎn)物由斜方輝石+金云母逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈捷x石+石榴子石（圖1）。脫水熔融條件下，這一相轉(zhuǎn)變溫度在1000-1100 ^oC之間，而在水飽和熔融條件下，這一相轉(zhuǎn)變溫度降至800-900 ^oC之間。大別-蘇魯、挪威西片麻巖省等超高壓地體的輝石巖主要記錄了4-6 GPa，750-1000 ^oC條件下交代成因的輝石與石榴子石生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相似溫壓條件下，只有陸殼水飽和熔融才能誘發(fā)這些交代礦物的形成。進(jìn)一步證明超高壓條件陸殼的水致熔融是誘發(fā)大陸俯沖帶殼幔作用的一種重要機(jī)制。

　　 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，俯沖古老陸殼是相對(duì)貧水的。而該研究結(jié)果證明，陸殼即使俯沖至超高壓條件下局部乃至整體仍然是較為富水的。長(zhǎng)英質(zhì)陸殼在深俯沖過(guò)程中通常會(huì)攜帶部分基性-超基性塊體。在高壓-超高壓條件下，蛇紋石、硬柱石以及綠泥石是這些基性-超基性塊體中常見的含水礦物，其水含量可達(dá)～10 wt%。其中，綠泥石具有最高的穩(wěn)定溫度，因此是誘發(fā)長(zhǎng)英質(zhì)陸殼水致熔融最有可能的水的來(lái)源。研究人員進(jìn)一步結(jié)合陸殼俯沖P-T軌跡，陸殼熔融及熔體-地幔相互作用過(guò)程可概括如圖2及圖3所示：陸殼俯沖至圖2中B點(diǎn)后，俯沖陸殼中含綠泥石的巖石會(huì)發(fā)生綠泥石分解進(jìn)而釋放流體。由于此時(shí)溫度高于花崗巖濕固相線，釋放的流體可誘發(fā)以長(zhǎng)英質(zhì)巖石為主體的陸殼熔融，產(chǎn)生熔體具有富鋁的特征，其與上覆地幔楔反應(yīng)形成石榴輝石巖交代體。隨著交代過(guò)程不斷進(jìn)行，熔體被不斷消耗且演化至愈發(fā)富鉀富水，演化的熔體進(jìn)一步與地幔反應(yīng)進(jìn)而生成金云母（圖3），這也進(jìn)一步解釋了超高壓地體石榴輝石巖中偶見金云母的現(xiàn)象。

　　 該研究成果近期發(fā)表于國(guó)際地學(xué)權(quán)威期刊《Geology》上。該項(xiàng)研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0801001）、國(guó)家自然科學(xué)基金（42222204，42203040，42072058，41772054）和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。

　　論文信息： Gao, M. (高名迪), Foley, S., Xu, H. (續(xù)海金), Wang, Y. (王煜), 2023, Mantle metasomatism induced by water-fluxed melting of subducted continental crust at ultrahigh pressures: Geology, https://doi.org/10.1130/G51547.1

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圖2. 陸殼深俯沖熔融過(guò)程示意圖。灰色粗箭頭代表陸殼俯沖-折返P-T軌跡，橢圓陰影區(qū)域?yàn)榇髣e-蘇魯及挪威西片麻巖省典型輝石巖記錄的交代作用P-T范圍。礦物縮寫：Chl-綠泥石，Phen-多硅白云母，Ant-葉蛇紋石，Law-硬柱石。

圖3. （A-C）深俯沖陸殼-地幔相互作用過(guò)程示意圖。（D-E）實(shí)驗(yàn)交代產(chǎn)物斜方輝石與石榴子石與超高壓地體輝石巖中斜方輝石與石榴子石稀土成分對(duì)比圖，天然樣品與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物相似的稀土配分模式證明其交代成因。