近日，国际地学权威学术期刊《Science China Earth Sciences》发表了题为“Pyroxenite melting at subduction zone: Implications for the origin of mafic arc magmas”的特邀论文。此项成果由中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室陈龙副教授独立完成。

大洋弧玄武岩和大陆弧安山岩是俯冲带岩浆作用的典型产物, 但是对它们岩浆源区的岩石学属性一直存在争论. 由于这个问题涉及俯冲带岩浆作用的物理化学机制和地球动力学机制两个方面, 已经成为汇聚板块边缘研究的关键问题之一. 从全球尺度来看, 辉石岩被认为是除橄榄岩之外, 洋岛玄武岩和洋中脊玄武岩的最重要地幔源区. 那么, 辉石岩对俯冲带岩浆作用的贡献如何? 其在不同俯冲带的相对贡献是否存在差别? 它们更多的贡献弧玄武岩还是弧安山岩的形成?

全岩Zn/Fe比值被证明是有效区分橄榄岩和辉石岩衍生岩浆的成分指标. 因为Zn/Fe比值在橄榄石、斜方辉石和熔体之间的分馏很小, 所以在橄榄岩部分熔融或者纯橄榄石分离结晶过程中不会发生显著改变. 然而, 当富含石榴石和单斜辉石的源区(如特定辉石岩)发生部分熔融时, Zn/Fe比值则会发生显著改变. 因此, 辉石岩来源熔体Zn/Fe (×10⁴)比值一般大于12, 甚至可以达到20, 而绝大多数橄榄岩来源熔体的Zn/Fe (×10⁴)比值都小于12.

近期，Bowman和Ducea在《Geology》上发表论文，他们对全球20个典型大陆弧/大洋弧产出的上新世-全新世原始弧岩浆(MgO = 7~17wt%)的Zn/Fe比值进行了统计分析. 统计结果发现, 很多弧岩石的Zn/Fe (×10⁴)比值都大于12. 在排除了后期岩浆结晶分异过程对这一比值的影响之后(图1a), 他们发现弧岩浆的Zn/Fe (×10⁴)比值与弧地壳厚度之间呈现很好的正相关关系(图1b 和c). 总体上, 弧地壳厚度越大, 其发育的弧岩浆岩的Zn/Fe (×10⁴)比值越高(图1b 和c). 也就是说, 在具有薄的弧地壳的俯冲带, 镁铁质岩浆主要来自橄榄岩的部分熔融; 随着弧地壳厚度的增加, 辉石岩源区的贡献越来越大, 甚至主导了镁铁质弧岩浆的形成. 他们还发现, 这些具有高Zn/Fe (×10⁴)比值(>12)的辉石岩来源弧岩浆, 还具有系统高于具有低Zn/Fe (×10⁴)比值(<12)的橄榄岩来源弧岩浆的硅和全碱含量(图1d), 并落在了富硅辉石岩衍生熔体的区域, 表明其源区是一种富硅辉石岩. 他们进一步指出, 弧地壳较厚地区辉石岩相对贡献较大的原因很可能是, 这些地区岩石圈地温梯度较低, 低熔点的辉石岩发生熔融时, 橄榄岩没有发生大规模熔融.

图1 原始弧岩浆Zn/Fe比值、MgO和SiO2含量以及弧地壳厚度之间的相关关系图解.

俯冲带深部辉石岩有多种类型, 包括俯冲洋壳变质成因的榴辉岩(Eclogite), 熔体-橄榄岩反应形成的交代辉石岩(Pyroxenite), 下地壳熔融残留或者堆晶成因的辉石岩(Arclogite), 以及玄武质岩浆在岩石圈地幔中冷却结晶形成的辉石岩脉体. Bowman和Ducea (2023)认为, 弧岩浆高度变化的放射成因同位素组成与玄武质洋壳不符, 排除了榴辉岩熔融的可能性. 他们进一步分析后认为, 熔体-橄榄岩反应形成的交代辉石岩一般富集橄榄石和斜方辉石, 因此很难熔融产生具有非常高的Zn/Fe (×10⁴)比值的熔体, 也将其排除. 最后, 他们认为下地壳熔融残留或者堆晶成因的辉石岩一般是贫硅的, 故也将其排除. 至此, 他们提出, 弧岩浆源区中的辉石岩最可能是在岩石圈地幔中从玄武质岩浆中冷却结晶产生的.

虽然Bowman和Ducea (2023)没有明确指出, 但从图1d可以清楚的看到, 来自橄榄岩源区的弧岩浆岩主体是玄武岩, 包含少量玄武安山岩; 而来自辉石岩源区的弧岩浆岩主体是玄武安山岩, 含少量玄武岩和安山岩. 结合前述来自辉石岩源区的弧岩浆主要产在具有厚的弧地壳(>40km)的俯冲带, 以及大陆弧以安山岩为主、大洋弧以玄武岩为主的基本观察, 可以推论: 大洋弧玄武岩主要是橄榄岩部分熔融的产物, 而大陆弧安山岩主要是辉石岩部分熔融的产物.

实际上, 陈龙等在研究汇聚板块边缘镁铁质岩浆岩成因时就发现, 玄武质岩浆地幔源区中的再循环地壳物质主要是俯冲玄武质洋壳及上覆沉积物在弧下深度脱水形成的流体(以富水溶液为主, 少量含水熔体), 而安山岩地幔源区的再循环地壳物质主要是俯冲陆源沉积物和俯冲侵蚀地壳等在弧下深度部分熔融产生的含水熔体(图2). 因此, Bowman和Ducea (2023)的研究工作正好验证了陈龙等提出的大陆弧安山岩成因机制, 以及对大陆弧与大洋弧岩浆作用过程和产物系统差异原因的认识.

图2 大陆弧和大洋弧岩浆作用过程和产物异同示意图

然而, 不同于Bowman和Ducea (2023)将大陆弧之下辉石岩源区的来源归因于幔源玄武质岩浆在岩石圈地幔的冷却结晶, 陈龙等的研究认为这些辉石岩是俯冲地壳衍生熔体与地幔楔橄榄岩之间发生化学反应的结果, 属于交代成因辉石岩. 具体分析如下: (1) Bowman和Ducea (2023)统计的是MgO>7的玄武岩、玄武安山岩以及安山岩, 它们很难由玄武质岩浆冷却结晶形成的玄武质辉石岩部分熔融产生; (2) Bowman和Ducea (2023)排除交代成因辉石岩的唯一依据就是, 这些岩石相对冷却结晶的玄武质辉石岩可能更为富集橄榄石和斜方辉石. 但是, 根据富硅熔体-橄榄岩反应实验和理论计算结果, 在平衡条件下, 这一反应最可能生成不含橄榄石的辉石岩, 而不会生成含有低比例橄榄石的中间岩石类型. 而且, 当交代反应发生在较高压力条件下, 交代产物中石榴石和单斜辉石的比例会很高, 而斜方辉石的比例会很低; (3) 想要使得熔融产物具有相对橄榄岩来源熔体更高的Zn/Fe (×10⁴)比值, 只需要辉石岩源区相对橄榄岩具有更大比例的单斜辉石和石榴石就行, 并不需要其整体都由石榴石和单斜辉石组成.

无论是哪一类辉石岩, 它们在弧下深度发生部分熔融都会贡献镁铁质弧岩浆的形成; 不管它们在大洋弧和大陆弧的分布上是否存在系统差异, 辉石岩源区都是镁铁质弧岩浆的重要源区. 因此, 我们在研究大洋弧和大陆弧原始岩浆的成因时, 应该对辉石岩源区给予充分的重视. 或许, 我们是时候摈弃镁铁质岩浆都是来自橄榄岩部分熔融的先验假设, 也是时候放弃基于对各类橄榄岩熔融行为研究所得出的、有关弧岩浆原始成分应当如何的信条, 需要重新审视. 如果辉石岩的确是弧岩浆的重要地幔源区, 其本身的成因及成分特征决定了其产物相对橄榄岩来源的熔体必然具有更为富集和“演化”的成分特征. 实际上, 当以橄榄岩为出发点, 对弧岩浆进行筛选, 得出符合橄榄岩熔融衍生熔体成分的“原始弧岩浆岩”, 然后再根据这些岩浆岩来示踪俯冲带状态和过程的时候, 就可能已经将俯冲带壳幔相互作用的特有印记给抹去了.

Chen L. 2023. Pyroxenite melting at subduction zone: Implications for the origin of mafic arc magmas. Science China Earth Sciences, 66(7): 1678–1682.

文章链接：https://doi.org/10.1007/s11430-023-1118-3

陈龙. 2023. 俯冲带辉石岩熔融: 对镁铁质弧岩浆成因的启示. 中国科学: 地球科学, 53(7):1694 ~ 1698.

文章链接：https://doi.org/10.1360/SSTe-2023-0061