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王煜等-Science Advances：提出后碰撞造山帶鉀質(zhì)巖成因新模型

撰稿：發(fā)布時(shí)間：2021-07-15

造山帶巖漿作用的成因研究是重建造山帶演化歷史的關(guān)鍵。然而，這些巖漿的成分復雜、成因多樣并受多重因素制約，因而準確的識別其來(lái)源及形成機制非常困難。例如，從火山弧向碰撞造山演變階段的巖漿既保留有早期火山弧巖漿的地球化學(xué)特征，還攜帶了大陸巖石圈的成分信息；造山帶從同碰撞到碰撞后演變階段受到板片的斷離與后撤、伸展以及拆沉等多種地質(zhì)作用的影響，巖石圈-軟流圈不同部位的巖石都可能發(fā)生部分熔融產(chǎn)生巖漿。
　　阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶（AHOB）作為典型的弧-陸碰撞造山帶,廣泛發(fā)育同碰撞和碰撞后的新生代巖漿活動(dòng)；此外，由于其廣泛分布鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖的特征和其獨特的構造背景及地球動(dòng)力學(xué)演化歷史，一直都是探尋鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖漿作用機制的理想場(chǎng)所。前人通過(guò)對AHOB幔源巖漿巖（如鉀鎂煌斑巖或者鉀玄巖）的研究，查明其源區主要由三種成分組成：(A)大陸地殼組分，表現為巖漿巖強烈富集不相容元素，具有高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb、¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os和低¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf的同位素組成，以及高Th/Nb、Hf/Sm和較低的Ce/Pb、Nb/U比值；(B)難熔橄欖巖組分，表現為巖漿巖中含有難熔的富鉻尖晶石和高Fo橄欖石，并具有較低的全巖FeO含量，因此其形成與難熔橄欖巖的部分熔融有關(guān)；(C)一種未知組分，以極高Th/La和相對高Sm/La比值為特征。目前，該未知組分(C)僅在A(yíng)HOB鉀鎂煌斑巖中觀(guān)察到，全球其他地質(zhì)構造環(huán)境下的巖石中并未發(fā)現。這是由于俯沖板片熔/流體的Th和La分餾能力有限，因此弧巖漿和其他幔源巖漿（如MORB和OIB）的Th/La比值通常低于0.5，且與Sm/La呈負相關(guān)（圖1）。

圖1.全球不同構造背景巖石類(lèi)型的全巖Th/La vs. Sm/La圖解。作為對比的包括：特底斯域鉀鎂煌斑巖（紫色菱形）、阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶巖漿巖（橙色菱形）、洋島玄武巖（灰色圓圈）、大洋中脊玄武巖（黃色圓圈）、弧巖漿（青綠色區域）、上地殼平均值（粉色五角星）、及全球俯沖沉積物平均值（藍色五角星）。

　　針對AHOB鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖中發(fā)現的這一獨特地球化學(xué)特征（極高Th/La比值）學(xué)術(shù)界提出了兩種可能的形成機制：（1）極高的Th/La比值是大陸地殼的直接熔融而來(lái)；（2）與賦存在淺部巖石圈的混雜巖中低熔點(diǎn)物質(zhì)（硬柱石或者黝簾石藍片巖）的部分熔融有關(guān)。然而，至今仍然沒(méi)有研究證據能夠有效證明哪一種機制才是破解AHOB鉀質(zhì)巖“Th/La難題”的最佳鑰匙。
　　針對上述問(wèn)題，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室、深地科學(xué)卓越創(chuàng )新中心王煜特任研究員、Jeremie Soldner博士以及徐義剛院士，聯(lián)合澳大利亞麥考瑞大學(xué)的Stephen Foley教授以及德國美因茨大學(xué)的Stephan Buhre博士，統計分析了AHOB幔源巖漿巖（n≈5000）的全巖地球化學(xué)數據，發(fā)現極高Th/La比值并不是鉀鎂煌斑巖這類(lèi)巖漿巖獨有的特征，而是該造山帶鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)熔巖的普遍特征（圖1），表明未知組分C廣泛地參與了該造山帶的鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖漿作用。此外，通過(guò)調研全球藍片巖及榴輝巖中可能攜帶這種極高Th/La比特征的礦物（如硬柱石、黝簾石、斜黝簾石、獨居石等），研究人員找到了這把“鑰匙”，即在俯沖板片和地幔楔交界面形成的混雜巖（mélange）中伴生的硬柱石藍片巖。該藍片巖中的硬柱石，尤其是具有陸源特征的硬柱石，是唯一具有類(lèi)似AHOB鉀質(zhì)巖中識別出的極高Th/La和較高Sm/La比值的礦物，據此提出AHOB后碰撞鉀質(zhì)巖的成因不同于傳統的深俯沖作用（圖2），而是一種比較淺的俯沖疊瓦作用（60-80公里），且與在俯沖板片和地幔楔交界面形成的混雜巖中伴生的硬柱石藍片巖密切相關(guān)（圖2）。通過(guò)模擬計算，對比“深-淺”兩種不同俯沖模型產(chǎn)出熔體的Th/La比值，可見(jiàn)“淺俯沖”模型可以更好地揭示AHOB鉀質(zhì)巖中觀(guān)察到的獨特地球化學(xué)特征。因此，AHOB鉀質(zhì)-超鉀質(zhì)巖漿源區中這種獨特的高Th/La比值，絕非簡(jiǎn)單的在陸內深俯沖過(guò)程中通過(guò)大陸地殼的直接熔融形成，而是與復雜的殼幔相互作用、淺部疊瓦作用及后碰撞造山作用有關(guān)。

圖2.深俯沖模型 vs. 淺部疊瓦作用模型。(A) 俯沖洋殼的三種不同進(jìn)變質(zhì)P-T-t軌跡：(a) 碰撞后造山環(huán)境下的“淺俯沖”模式，即藍片巖可能被卷入上升的混雜巖底辟中，或在地幔較淺位置以藍片巖混雜巖形式與地幔難熔橄欖巖通過(guò)疊瓦作用混雜堆疊保存在一起，聯(lián)同許多小的大洋板塊及大陸地塊一同在地幔形成一個(gè)新的巖石圈；(b) 常規造山帶區域變質(zhì)模型；(c) 傳統“深俯沖”模式，即藍片巖最終被俯沖至地幔深部并被轉化為角閃石巖或榴輝巖；(B) (C) 利用土耳其藍片巖作為初始物質(zhì)，PerpleX模擬計算得出的“深-淺”兩種不同俯沖模型溫壓條件下的相圖及各相模態(tài)含量；(D) 模擬計算對比兩種不同模型產(chǎn)出熔體的Th/La比值，可見(jiàn)“淺俯沖”模型可以更好地解釋阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶鉀質(zhì)巖中觀(guān)察到的獨特極高Th/La比值。

　　這一新模型預測，如果藍片巖在造山帶鉀質(zhì)巖成因中具有重要作用，那么隨著(zhù)時(shí)間推移，越古老的造山帶鉀質(zhì)巖中含有的Th/La比應該越低，反之則越高，這是因為藍片巖在地球演化過(guò)程中的作用在逐漸增強。事實(shí)上，由老至新的造山帶鉀質(zhì)巖中Th/La比值的確呈現一個(gè)逐漸升高的趨勢（圖3），從而進(jìn)一步證實(shí)了淺俯沖模型對于A(yíng)HOB鉀質(zhì)巖成因的約束，以及混雜巖中伴生的藍片巖在造山帶后碰撞鉀質(zhì)巖成巖過(guò)程中的重要作用。這些過(guò)程對于理解現代地球上的弧巖漿和后碰撞造山帶巖漿作用非常關(guān)鍵，但是可能在地球形成早期（如晚太古宙）更為重要，因為由眾多弧拼接合并而形成的原始地殼很可能廣泛分布在這一地球演化時(shí)期。

圖3.全球不同造山帶鉀質(zhì)巖隨時(shí)間變化Th/La比值演化圖。由老至新：格倫維爾及斯維科芬尼造山帶（980-1800 Ma），阿巴拉契亞、加里東、布拉西利亞諾及泛非造山帶（410-800 Ma），瓦里斯坎、華南及中亞造山帶（200-400 Ma），以及阿爾卑斯-喜馬拉雅造山帶（<80 Ma）。可見(jiàn)Th/La比值明顯隨時(shí)間推移而增加，尤其在古老的、缺少藍片巖的格倫維爾及斯維科芬尼造山時(shí)期，Th/La比值非常低。

　　研究成果于近日發(fā)表在《Science》子刊《Science Advances》。項目獲得了中國科學(xué)院B類(lèi)先導專(zhuān)項（XDB18000000），國家自然科學(xué)基金（41773055）、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )專(zhuān)項基金（2020348）等聯(lián)合資助。
　　論文信息：Wang, Y*(王煜)., S. F. Foley, S. Buhre, J. Soldner, and Y. Xu (徐義剛). 2021. Origin of potassic postcollisional volcanic rocks in young, shallow, blueschist-rich lithosphere, Science Advances, 7(29), eabc0291, doi:10.1126/sciadv.abc0291.
　　論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabc0291

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王煜等-Science Advances：提出后碰撞造山帶鉀質(zhì)巖成因新模型

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