韋振等-GRL：碳酸質熔體與輝石巖反應形成東亞大地幔楔玄武巖

大地幔楔是指地幔過渡帶中滯留俯沖板片與上覆板塊之間所夾持的廣闊地幔區域，是近些年新識別出的獨特深部地質構造。統計發現環太平洋50%以上的板塊俯沖形成了大地幔楔，板片滯留范圍從300到1700km不等。東亞大地幔楔在全球范圍內規模最為宏大，研究程度最高，然而，其物質循環機制和玄武巖成因一直存在爭議。早先研究揭示中國東部新生代玄武巖由低硅和高硅兩個端元混合而成，其中低硅端元起源于碳酸鹽化的榴輝巖和橄欖巖混合地幔，高硅端元起源于石榴石輝石巖地幔。放射成因同位素和穩定同位素都指示低硅端元與滯留太平洋板塊的脫碳密切相關，但是關于高硅端元的來源存在激烈爭論，包括地幔過渡帶和巖石圈地幔兩種不同的觀點。

針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所的韋振博士在李洪顏研究員等人的指導下，對山東無棣大山霞石巖開展了橄欖石斑晶熔體包裹體研究，發現熔體包裹體在記錄源區組成和熔融機制方面比全巖具有明顯的優勢。研究發現無棣大山霞石巖橄欖石斑晶中存在兩組明顯不同的熔體包裹體。Group1以高CaO/Al₂O₃，低Na₂O/TiO₂、Ba/Nb和Sr/Nd比值為特征，類似于寄主霞石巖，其源區為碳酸鹽化的榴輝巖和橄欖巖混合地幔。Group2具有低CaO/Al₂O₃，高Na₂O/TiO₂、Ba/Nb和Sr/Nd比值，這些地球化學特征無法用Group1熔體經歷分離結晶或者捕獲早期結晶礦物來解釋。它們的低CaO/Al₂O₃和高Na₂O/TiO₂特征指示其源區（輝石巖/橄欖巖）經歷了低壓（<2.5 GPa）小比例部分熔融，高Ba/Nb和Sr/Nd比值特征與該區域高硅玄武巖特征類似，指示源區為巖石圈地幔中古老的輝石巖。這些數據說明深部來源的霞石巖熔體經歷了與巖石圈地幔中輝石巖的熔-巖反應。

升溫、減壓和揮發份加入是地幔熔融形成玄武巖的主要機制。實驗巖石學揭示雖然輝石巖具有比橄欖巖更低的熔點，但在遠離俯沖帶和地幔柱背景下，它們也難以熔融形成堿性玄武巖。本研究提出山東地區新生代玄武巖的成因新機制：地幔過渡帶滯留板片釋放碳酸質熔體/流體到上地幔，較低的密度導致其快速上升，在150km以淺的深度助熔橄欖巖熔融形成霞石巖熔體，進一步上升穿越巖石圈地幔過程中，熱傳導和流體滲入誘發輝石巖熔融，深部來源的霞石巖熔體與淺部輝石巖小比例熔融產物混合形成該區域的玄武巖系列（包括霞石巖、碧玄巖、堿性玄武巖和拉斑玄武巖），部分低CaO/Al₂O₃的霞石巖記錄了深源熔體與巖石圈地幔中輝石巖的反應過程。該研究對于理解滯留板片與大地幔楔的相互作用機制、大地幔楔的物質組成和玄武巖成因、以及揮發份循環過程與機制具有重要啟示意義。研究結果近期發表在國際地球科學領域期刊《Geophysical Research Letters》上，該研究受到國家重點研發計劃項目資助。

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論文信息：

Wei, Z.（韋振）, Li, H.Y.*（李洪顏）, Ma, L.（馬亮）, Hou, Y.S.（侯永勝），Wang, Y.（王煜），Xu, Y.G.（徐義剛）（2024）. Geochemistry of olivine melt inclusion reveals interactions between deeply derived carbonated melts from the Big Mantle Wedge and pyroxenite in the lithospheric mantle beneath eastern Asia. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL108234.

論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2024GL108234

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相關論文：

Li, H. Y., Xu, Y.G., Ryan, J.G., Huang, X.L., Ren, Z.Y., Guo, H. and Ning, Z.G., 2016. Olivine and melt inclusion chemical constraints on the source of intracontinental basalts from the eastern North China Craton: Discrimination of contributions from the subducted Pacific slab. Geochimica et Cosmochimica Acta 178: 1–19.

Xu, Y.G., Li H.Y., Hong, L.B., Ma, L., Ma, Q. and Sun, M.D, 2018. Generation of Cenozoic intraplate basalts in the big mantle wedge under eastern Asia. Science China Earth Sciences 61 (7), 869–886.

圖1 無棣大山霞石巖橄欖石熔體包裹體主量和微量元素與區域新生代玄武巖及高壓熔融實驗數據對比

圖2東亞大地幔楔玄武巖成因模型。（A）東亞下方地幔過渡帶滯留板片釋放的碳酸質熔體/流體交代上地幔；（B）碳酸巖化的橄欖巖部分熔融產生霞石巖，上升過程中與巖石圈地幔發生反應，熱傳導和流體滲入導致輝石巖發生低程度的部分熔融，產生低CaO/Al₂O₃比值，高Na₂O/TiO₂、Ba/Nb和Sr/Nd比值的熔體。