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大陆俯冲隧道板片-地幔楔界面反向流体交代作用:西阿尔卑斯造山带超高压变质白片岩的地球化学证据
陈伊翔1,2
1.中国科学院壳幔物质与环境重点实验室,中国科学技术大学地球和空间科学学院,安徽合肥
2.中国科学院比较行星学卓越创新中心,安徽合肥
DOI:10./dqkx..
导
读
目前对深俯冲板片释放熔/流体交代地幔楔的过程和机制已有充分认识，然而对地幔楔岩石能否脱水交代深俯冲地壳并不清楚。本文总结了对欧洲西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体白片岩的研究结果。我们在厘清白片岩原岩属性这个长期争议的基础上，不仅提供了利用Mg同位素和O同位素联合示踪俯冲隧道中流体来源的新思路，也提供了地幔楔蛇纹岩来源流体反向交代深俯冲地壳岩石的首个典型实例。这种反向交代会极大改变深俯冲地壳的地球化学组成，对理解弧岩浆岩Mg同位素组成也具有重要的启示意义。
摘要：前人对深俯冲板片释放熔/流体交代地幔楔形成弧岩浆源区的过程和机制已得到充分认识，然而对地幔楔岩石能否脱水交代深俯冲地壳并不清楚.在对欧洲西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体白片岩的地球化学研究中，首次发现地幔楔交代岩能够脱水反向交代深俯冲地壳岩石，从而极大影响俯冲地壳的地球化学组成.结合白片岩和围岩的全岩地球化学特征以及锆石学结果，查明了白片岩的原岩为S型花岗岩，澄清了关于Dora-Maira白片岩原岩属性的长期争议.在此基础上，发现白片岩中变质锆石相对残留岩浆锆石δ18O值显著降低，指示原岩形成后受到低δ18O变质流体的交代作用.白片岩具有高温岩石中最高的δ26Mg值达0.75‰，显著高于围岩变花岗岩，指示交代流体具有重Mg同位素组成.基于地球主要岩石储库的Mg同位素组成，推测交代流体来自俯冲隧道中富滑石地幔楔蛇纹岩在弧下深度的脱水分解，而这些地幔楔蛇纹岩是新特提斯洋壳在弧前深度变质脱水产生的流体与地幔楔浅部橄榄岩反应形成.这些结果不仅提供了利用Mg-O同位素示踪俯冲隧道中流体来源的新思路，也提供了地幔楔蛇纹岩来源流体反向交代深俯冲地壳岩石的首个典型实例.这种反向交代不仅极大改变了深俯冲地壳的地球化学组成，而且对弧岩浆岩重Mg同位素成因具有重要意义.
关键词:Mg同位素；O同位素；俯冲隧道；反向流体交代；西阿尔卑斯造山带；地球化学.
0.引言
俯冲带流体活动对地球内部圈层和表生圈层间的物质传输和地球化学循环具有重要意义(Bebout，；Zheng,,).一般情况下，深俯冲地壳在进变质过程中会经受变质脱水甚至部分熔融，释放出流体交代上覆地幔楔橄榄岩形成地幔交代岩，而这些交代岩的部分熔融则产生了弧岩浆岩.实际上，在弧前深度形成的地幔楔交代岩中含有含水矿物，如蛇纹石、绿泥石或滑石.在进一步俯冲过程中这些矿物能否脱水反向交代俯冲地壳岩石？如果能够发生，这个过程又如何影响深俯冲地壳乃至弧岩浆岩的地球化学组成？这是俯冲带壳幔相互作用的前沿领域之一.
大陆地壳由于密度较低，陆壳发生深俯冲通常假定存在先前深俯冲洋壳的重力拖曳.大洋板片在弧前深度(60~80km)俯冲过程中释放出流体交代地幔楔，会使地幔楔橄榄岩水化形成富水的蛇纹岩.在俯冲板片-地幔楔之间会形成俯冲隧道，俯冲隧道中既包括不同深度拆离的俯冲地壳，也包括从地幔楔底部刮削下来的地幔岩石，如地幔楔蛇纹岩(Zheng，；Zhengetal.,；ZhengandChen,；Chenetal.,a).这些不同来源的物质在俯冲隧道内发生混合，经历不同程度的变质变形乃至部分熔融作用，形成各种形式的高压/超高压构造混杂岩.由于大陆俯冲带是在先前俯冲的大洋俯冲带基础之上发展起来的，因此大陆俯冲隧道中的流体来源比较复杂，既有俯冲大陆地壳来源的流体，也有地幔楔蛇纹岩来源的流体.如何从岩石学和地球化学角度识别这些不同来源的流体，特别是如何识别地幔楔来源流体对地壳岩石的反向交代作用，已经成为俯冲带地球化学研究的前沿(Zheng，).
Chenetal.(,b)对欧洲西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体出露的白片岩进行了锆石学和地球化学研究.结果首次证明，地幔楔蛇纹岩流体反向交代深俯冲陆壳.这一反向交代作用不仅极大改变了深俯冲地壳的地球化学组成，而且对弧岩浆岩重Mg同位素成因具有重要意义.
1.西阿尔卑斯Dora-Maira地体白片岩的原岩属性
欧洲西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体是典型的超高压变质大陆地体，此地出露的白片岩是最早发现超高压变质矿物柯石英的地壳表壳岩石之一(Chopin，).这种白片岩具有独特的地球化学组成，富集SiO2(70%)和MgO(绝大部分5%)，亏损Na、Ca、Fe、Rb、Ba和Sr等元素(SchertlandSchreyer,；Ferrandoetal.,；Ferrando，).白片岩的这个独特地球化学成分与通常陆壳岩石有较大差别，导致前人对其原岩特征的认识争议巨大，主要观点包括富Mg的海相蒸发岩(Chopin，)、经历强烈海水蚀变的花岗岩(Gauthiez-Putallazetal.,)或正常的花岗岩(SchertlandSchreyer,；Ferrando，).
为了厘清这些问题，Chenetal.(,b)对这些白片岩和变花岗岩中锆石进行了微区U-Pb定年和O-Hf同位素分析(图1).结果发现，白片岩和围岩变花岗岩中残留锆石具有类似的U-Pb年龄分布特征，主要集中在~Ma，两种岩石中残留锆石的O-Hf同位素组成范围也较为一致.这些结果指示，白片岩和变花岗岩具有类似的源区组成.考虑到白片岩中变质锆石的δ18O值比岩浆锆石显著降低，并且白片岩全岩δ18O值也明显低于变花岗岩，显然其原岩不可能为富Mg的蒸发岩，也不可能为经历强烈海水蚀变的花岗岩，而应为正常花岗岩.结合继承岩浆锆石较高的δ18O值以及变花岗岩中石榴石、白云母等富铝矿物的出现，进一步制约了这种原岩应为S型花岗岩.这些结果澄清了关于Dora-Maira地体白片岩原岩属性的长期争议，也为探讨白片岩经历的流体交代过程奠定了基础.
图1西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体白片岩和围岩变花岗岩中残留岩浆锆石U-Pb年龄和Hf-O同位素组成对比
2.大陆板片-地幔楔界面反向流体交代作用
Chenetal.()研究发现，白片岩中变质锆石相对残留岩浆锆石δ18O值显著降低，指示了变花岗岩原岩形成后经历了相对低δ18O变质流体的交代作用.因此，白片岩是一种地壳交代岩，其独特的地球化学组成是流体交代原岩变花岗岩形成的.为了进一步制约白片岩经历的流体交代过程，对白片岩和围岩变花岗岩进行了Mg同位素分析，结果总结在图2和图3中.
图2西阿尔卑斯Dora-Maira地体白片岩和变花岗岩的Mg同位素组成以及地球主要硅酸盐储库的Mg同位素组成
图3全岩δ26Mg值与δ18O值、Na2O+CaO、MgO以及CIA的关系
研究发现，白片岩具有高温岩石中最重的Mg同位素组成，δ26Mg值高达0.75‰，显著高于围岩变花岗岩(图2).考虑到白片岩极富集Mg和高δ26Mg的特征，这些交代流体必须具有高Mg含量和高δ26Mg值的特征.前人研究发现，地幔Mg同位素组成相对均一(δ26Mg=-0.24‰)，并且在部分熔融、岩浆结晶分异以及变质脱水等过程中Mg同位素变化极小(Teng，).化学风化虽然能够使产物具有重的Mg同位素组成，但同时也会使岩石中Mg含量降低、O同位素组成变重，这与我们观察不符(图3).同时，变沉积物和变玄武岩在高压下脱水产生的流体Mg含量极低，同样很难解释白片岩的高Mg含量特征.结合白片岩全岩Mg同位素组成及其与δ18O、MgO、Na2O+CaO、化学风化指数等变量之间的相关关系(图3)，以及地球主要硅酸盐储库的Mg同位素组成，Chenetal.()提出只有富滑石蛇纹岩变质脱水才可以提供如此重Mg同位素的流体.滑石脱水产生的流体富Mg、贫Na和Ca以及大离子亲石元素(LILE)，因此也能解释白片岩富MgO、贫Na2O+CaO和LILE的特征.考虑到交代流体具有较低的δ18O值，而洋底低温水化形成的蛇纹岩通常具有高δ18O值，我们提出这种富滑石蛇纹岩应该来自高温地幔楔蛇纹岩.
结合Dora-Maira地体变质演化和前人岩石学研究结果，可以进一步限定出滑石变质脱水发生在进变质阶段.考虑到Dora-Maira地体为超高压变质大陆地体，这种流体交代作用很可能发生在大陆板片-地幔楔界面的俯冲隧道中.据此Chenetal.()提出了白片岩形成的反向交代模型(图4).约45~40Ma，新特提斯洋壳在西阿尔卑斯俯冲到大陆岩石圈之下，在弧前深度交代地幔楔橄榄岩形成富滑石的蛇纹岩(图4a).在40~35Ma，Dora-Maira地区的大陆岩石圈在俯冲大洋板片的重力拖曳下发生俯冲(图4b).这时，地幔楔富滑石蛇纹岩受到俯冲大陆板片刮削进入俯冲隧道，在亚稳定条件下被携带到km的弧下深度，在那里发生变质分解，脱水交代俯冲隧道中的变花岗岩(图4c)，形成以镁铝榴石和柯石英为主的超高压变质矿物组合.这个反向交代模型也得到了地震层析成像结果的支持，地震学结果揭示西阿尔卑斯超高压变质岩片之下就是蛇纹石化地幔楔(Liaoetal.,；Solarinoetal.,).因此，通过查明大陆俯冲隧道中富Mg流体的来源，可以揭示地幔楔蛇纹岩来源流体对深俯冲陆壳岩石的反向交代作用.正是这种反向交代极大改变了陆壳的地球化学组成，使白片岩具有了富Mg,贫Na、Fe和Ca以及LILE的特征.
图4西阿尔卑斯造山带Dora-Maira(DM)地体白片岩形成过程的构造示意
3.对地幔楔和岛弧岩浆岩Mg同位素组成的启示
Chenetal.()推测，富滑石的蛇纹岩脱水会释放富Mg且具有重Mg同位素的流体.如果这个推测得到证实，将对理解地幔楔及弧岩浆岩Mg同位素组成具有重要启示.目前研究发现，部分岛弧岩浆具有重Mg同位素组成，如小安的列斯岛弧δ26Mg值为-0.25‰~-0.10‰(Tengetal.,)，菲律宾岛弧为-0.19‰~0.06‰(Lietal.,).尽管超高压榴辉岩中高压脉体具有较重的Mg同位素组成，δ26Mg值可达0.15‰(Huangetal.,)，考虑到变沉积物或变玄武岩高压下脱水释放的流体Mg含量极低，而蛇纹岩脱水产生的流体Mg含量较高，弧岩浆岩的重Mg同位素组成更可能是弧下深度蛇纹岩脱水造成的(Chenetal.,；Huangetal.,).蛇纹石δ26Mg值相对较低，其脱水释放的流体可能更富集轻Mg同位素(Wangetal.,).与此相反，滑石的δ26Mg值相对较高，由滑石脱水产生的流体就可以具有极重的Mg同位素组成(Chenetal.,).因此，富滑石蛇纹岩或其他富滑石基性岩脱水交代地幔楔就能够形成具有重Mg同位素组成的地幔交代岩，由这种交代岩部分熔融可能是形成具有重Mg同位素组成弧岩浆岩的主要途径之一.
4.结论与展望
我们对西阿尔卑斯造山带Dora-Maira地体白片岩的研究揭示，其原岩为S型花岗岩，澄清了关于其原岩属性的长期争议.在此基础上，揭示了白片岩独特的地球化学组成是俯冲隧道中俯冲板片-地幔楔界面富滑石蛇纹岩来源流体交代的产物.这些结果不仅为应用Mg-O同位素示踪大陆俯冲隧道中不同组分的流体来源(特别是蛇纹岩来源流体)提供了典型范例，而且首次鉴定出地幔楔蛇纹岩脱水流体对深俯冲陆壳的反向交代作用.这种反向交代可以极大改变深俯冲地壳的地球化学成分，不仅在壳幔物质循环中具有重要意义，而且对理解弧岩浆岩的重Mg同位素组成也具有启示意义.
但是，目前仍有诸多关键问题需要解决：(1)不同类型岩石在各种变质温度压力条件下脱水释放流体的元素含量(如Mg、Fe、C、S等元素)；(2)这些流体的Mg、Fe等元素的同位素组成及其与硅酸盐矿物和全岩间的分馏系数；(3)流体在与地幔楔岩石反应过程中的行为和地球化学组成变化.深入探讨这些问题，能使我们进一步理解俯冲带深部的壳幔相互作用过程和机制，深入制约俯冲带物质循环和弧岩浆的形成.
作者简介：陈伊翔（-），特任教授，年获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金资助.主要研究方向为俯冲带熔/流体活动及其地球化学效应.ORCID：???.E?mail：yxchen07
ustc.edu.cn引用格式：陈伊翔,.大陆俯冲隧道板片-地幔楔界面反向流体交代作用：西阿尔卑斯造山带超高压变质白片岩的地球化学证据.地球科学,44(12):-.
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