大洋俯冲带变质作用、流体行为与岩浆作用

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俯冲洋壳中基性岩和超基性岩强烈脱水发生在弧下深度，富钾变质沉积岩脱水可持续到300km，以后俯冲洋壳板片不再有明显流体释放，俯冲板片在不同阶段发生的脱水和熔融控制了俯冲带发生的岩浆作用。

俯冲带是地球上最复杂的构造部位，地表大多数突发性地质现象均发生于此处，包括爆发性的火山活动、强地震、快速的地貌演变、深部强反差的地热体制和复杂的造山过程等。而俯冲带系统的演化与俯冲板片中发生的岩石相变或变质反应密切相关。这些反应控制了俯冲板片的浮力和向下拖拽机制，并可以解释流体的形成、释放和运移过程。来自俯冲板片的流体交代地幔楔橄榄岩，最终导致复杂的板缘及板内岩浆作用。

北京大学魏春景教授和中国科学技术大学郑永飞院士合作，依据有效的实验岩石学资料，结合相平衡模拟结果，阐述含水和CO₂基性岩、超基性岩和有关沉积岩体系的相平衡关系；约束洋壳俯冲过程中不同岩石发生脱水及熔融反应的过程与P–T条件；讨论板片流体对地幔楔橄榄岩的改造机理及其与弧岩浆作用的关系，以及深部碳循环过程与碳酸岩熔体的成因等。

研究结果表明，大多数洋壳在弧前（<90–100km）俯冲阶段基性岩和超基性岩脱水很少，明显脱水作用发生在表层沉积物中（图1）。在弧下俯冲阶段基性岩和超基性岩都发生强烈脱水，如基性岩中的大部分水是由绿泥石、蓝闪石、滑石和硬柱石相继在弧下100–200km深度分解释放的，这与以往基于实验模拟得到的结果大不相同；超基性岩在弧下120–220km深度发生叶蛇纹石、绿泥石和10Å相脱水；但变质沉积岩在弧下深度对流体贡献不大，其主要含水矿物为多硅白云母，可以一直稳定至300km深处分解成钾锰钡矿，多硅白云母分解后直到地幔过渡带深度（>400 km）俯冲洋壳板片不再有明显流体释放。在少数热俯冲带中，变质沉积岩和基性岩都可以发生部分熔融（尤其是水化熔融）形成富水花岗质熔体或超临界流体，含碳酸盐矿物的沉积物可以熔融形成含钾碳酸岩熔体。在少数冷俯冲带中，超基性岩中出现A相，可把水带至地幔过渡带深处。

图1 俯冲板片脱流体与地幔楔部分熔融示意图

地幔楔橄榄岩受到来自俯冲板片的流体交代，通过部分熔融形成复杂的弧岩浆作用。如图1所示，在弧前区域地幔楔橄榄岩发生蛇纹岩化，形成弧前蛇纹岩底辟；在弧下深度，冷俯冲带中地幔楔底部水化橄榄岩可依次发生叶蛇纹石、绿泥石和10Å相分解脱水，所形成的富水流体会与俯冲板片释放的流体一起向上运移、交代地幔楔橄榄岩，当温度达到湿固相线时发生部分熔融，形成各种岛弧岩浆。这些受板片流体影响形成的弧岩浆岩多表现出亏损高场强度元素、富集大离子亲石元素的地球化学特征。

板块俯冲可以将地表碳物质带入地球深部，再通过流体和岩浆作用返回到地表系统，形成俯冲带深部碳循环。在弧前或弧下区域，俯冲带的地热梯度不会穿过碳酸盐化榴辉岩和橄榄岩的固相线。俯冲板片中的碳物质可通过氧化-还原反应和溶解-淋滤作用进入俯冲带流体，参与上覆橄榄岩蛇纹岩化与弧岩浆作用，只有部分碳酸盐矿物可能被携带到更深部地幔。实验表明，被携带的碳酸盐化榴辉岩会在地幔过渡带深度发生部分熔融形成富碱的碳酸岩熔体；而碳酸盐化橄榄岩不会在该深度发生部分熔融。但俯冲到过渡带中的橄榄岩由于滞留加热会导致其中的含水矿物如A相、E相和含水瓦兹利石等分解脱水，形成的富水流体，并与碳酸岩熔体一起上升促进上部地幔物质熔融、上涌、以及广泛的弧后伸展。

出版信息

中文出版信息：

魏春景, 郑永飞. 2020. 大洋俯冲带变质作用、流体行为与岩浆作用. 中国科学：地球科学，50(1): 1–27

英文出版信息：

Wei C, Zheng Y. 2020. Metamorphism, fluid behavior and magmatism in oceanic subduction zones. Science China Earth Sciences, 63(1): 52–77