板塊俯沖和地幔柱活動是維系地球活力和實現地球層圈間物質循環(huán)的兩大重要機制。洋島玄武巖通常被認為是研究深俯沖物質再循環(huán)與地幔柱活動的理想對象，夏威夷島造盾期玄武巖是其中的典范。經典模型認為，俯沖榴輝巖物質隨地幔柱上升時，榴輝巖熔體與軟流圈地幔橄欖巖由于化學不平衡發(fā)生反應，首先生成二次輝石巖，隨后二次輝石巖熔體與地幔橄欖巖熔體按不同比例混合，導致夏威夷造盾期巖漿地球化學成分的多樣性。二次輝石巖模型可以解釋造盾期拉斑玄武巖高MgO、低CaO/Al₂O₃、高Ni含量和同位素富集等地球化學特征，但無法系統(tǒng)解釋Mauna Loa和Mauna Kea兩座火山的地球化學組成區(qū)別：盡管Mauna Loa相較于Mauna Kea的巖漿具有更低的CaO/Al₂O₃，且同位素組成更富集，但兩者的全巖和橄欖石斑晶中的Ni含量卻極為相似。

經典模型忽視了榴輝巖/輝石巖熔融產生的熔體在遷移過程中與巖石圈地幔的反應。針對這一科學問題，中國科學院廣州地球化學研究所的侯永勝博士在李洪顏研究員、王煜研究員和徐義剛院士等人的指導下，開展了一系列高溫高壓實驗，模擬地幔柱環(huán)境下熔體與貧瘠方輝橄欖巖地幔的反應，旨在揭示反應溫度、反應時間和熔巖比例等實驗條件對熔巖成分的影響，探明經過熔體-巖石圈地幔反應后，熔體成分的演化趨勢。研究取得主要認識如下：1）在高溫條件下，富硅熔體通過溶解橄欖石并沉淀斜方輝石的方式與巖石圈地幔發(fā)生反應，高溫、長反應時間以及低熔巖比等條件會加劇反應程度（圖1）；2）富硅玄武質熔體與方輝橄欖巖在高溫下反應可以演化為貧硅苦橄質熔體，在非平衡反應條件下（反應時間為2小時），殘余熔體成分受橄欖石溶解、斜方輝石沉淀以及擴散作用的共同控制，隨后在由非平衡向平衡反應的轉換過程中（反應時間由2小時至24小時），殘余熔體成分主要受擴散作用影響（圖2）；3）榴輝巖熔體與巖石圈地幔方輝橄欖巖反應可以直接產生高SiO₂、MgO和Ni，低CaO/Al₂O₃的殘余熔體，類似夏威夷造盾期拉斑玄武巖。基于實驗結果，研究者提出了新的兩階段模型來解釋夏威夷造盾期玄武巖成因：在軟流圈地幔形成的榴輝巖/輝石巖熔體，在向上運移過程中與貧瘠的方輝橄欖巖地幔發(fā)生反應，其中Mauna Kea相較于Mauna Loa，熔巖比更低（第一階段）；隨后反應熔體在淺部與橄欖巖熔體發(fā)生巖漿混合，其中Mauna Kea相較于Mauna Loa，橄欖巖熔體比例更高（第二階段）。兩個階段對熔體中的Ni含量具有均衡作用，導致Mauna Kea和Mauna Loa的巖漿和橄欖石斑晶具有相似的Ni含量（圖3）。

該研究為理解地幔柱活動及其相關物質循環(huán)機制提供了新的視角。研究成果近期發(fā)表在國際地球科學領域期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，該研究受到國家自然科學基金項目（92258303）和國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFF0801002）資助。

論文信息：Hou,Y. S.（侯永勝）,Li,H. Y.*（李洪顏）,Wang,Y.（王煜）,Zhang,Y. F.（張艷飛）,Li,Y.（李元）,Xu,Y. G.（徐義剛） (2024). Experimental insights into the petrogenesis of plume-related magmas: Tholeiite-harzburgite interaction at 2–3 GPa and 1400–1500℃. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,129,e2023JB028467.

論文鏈接：https://doi/10.1029/2023JB028467

圖1. 代表性實驗產物結構（左圖），包括上方的熔體層、中間的反應邊界層（RBL)和下方的方輝橄欖巖層；反應溫度、反應時間和熔巖比例對反應邊界層厚度的影響（右圖），邊界層厚度可以代表反應程度

圖2. 礦物的溶解-沉淀作用和擴散作用對熔體成分的影響，非平衡狀態(tài)下熔體成分受橄欖石溶解和斜方輝石沉淀的強烈調控，隨后主要受擴散作用影響

圖3. 兩階段模型解釋Mauna Loa和Mauna Kea橄欖石斑晶具有相似的Ni含量