深俯冲榴辉岩折返过程中的多成因熔流体
Lu Wang1, Songjie Wang1,2, Peng Feng1, Zhuocheng Wang1, Michael Brown3, Tim Johnson4
1. State Key Lab for Geological Processes and Mineral Resources, and Center for Global Tectonics, School of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China, wanglu@cug.edu.cn
2. College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
3. Laboratory for Crustal Petrology, Department of Geology, University Maryland, College Park, MD 20742, USA
4. School of Earth and Planetary Sciences, Curtin University, GPO Box U1987, Perth, WA 6845, Australia
深俯冲大陆地壳从地幔深度折返过程中的降压作用可产生超临界流体和花岗质熔体，对促进壳-幔相互作用，改变俯冲隧道中大部分物质的流变性质和加速折返起着重要作用。然而，后期变形和变质作用的广泛叠加，阻碍了我们对折返期间-熔-流体演变过程的全面认识。相比于其他超高压变质岩，尤其是常见的围岩正片麻岩，超高压榴辉岩保留部分熔融反应的证据也比较罕见，规模和尺度也非常小，仅在极少数地方可保存早期变形变质的证据[Wang et al., 2018]。因此，将这些区域作为研究目标，可提升我们对陆壳深俯冲和折返过程的进一步认识，尤其是榴辉岩在折返过程中产生超临界流体和含水熔体的多种机制和变质反应。
苏鲁造山带形成于扬子克拉通的被动边缘深俯冲至华北克拉通之下之后的陆陆碰撞，在中生代时(240—210Ma)发生折返。苏鲁造山带仰口湾的榴辉岩中保留有粒间柯石英(Wang et al., 2018)，记录了>5.5 GPa的峰期压力[Xia et al., 2018]，这是现有碰撞造山带中岩相学直接的温压估算出的已知最大压力[Brown and Johnson, 2019]。在苏鲁造山带其他地区，榴辉岩在露头和薄片尺度上都显示出大量部分熔融证据。我们过去十年间在苏鲁造山带中部和北部地区的研究成果(桃行、将军山、仰口湾和威海；如图1所示)表明，相比于此前在大别-苏鲁和其他超高压-高压碰撞造山带中广泛报道的榴辉岩脱水熔融机制，榴辉岩中存在更多不同的熔融过程和变质反应[Gao et al., 2013; Chen et al., 2014; Cao et al., 2018, 2021]。
1. 超高压-高压折返阶段的熔融机制及产物
王璐等[2014]首次报道了苏鲁造山带中部将军山超高压榴辉岩和片麻岩部分熔融形成的混合岩。在混合岩化榴辉岩区，熔体沿颗粒边界结晶，形成浅色体薄膜，并进而演化成三维互连的粒间网络。随着熔体体积的增加，熔体发生分离和汇聚，先在压力影中结晶形成浅色体，最终演化成花岗岩席和岩脉。这些花岗岩席和岩脉代表了物质运输通道，使得熔体在地壳中的含量增加。浅色体和残余体成份互补，并相比原岩分别更富集、更亏损轻稀土元素(LREE)、大离子亲石元素（LILE）和重稀土元素（HREE）[Wang et al., 2014;Wang et al., 2020].
经过对将军山混合岩化榴辉岩中浅色体岩席的进一步研究[Wang et al., 2017, 2020]，我们发现这些岩席具有复杂的特征：1) 它们含有不同的矿物相和组构——有些由边部相和核部相组成，有些则没有——成份在奥长花岗岩和花岗岩之间变化，富含SiO2, K2O+Na2O 和Al2O3，与含水熔体组分相似；2) 浅色体中新结晶的锆石记录的平均年龄约为 223 – 218 Ma；3) 边部相为早期结晶的浅色体，含有与未退变超高压榴辉岩相似的Sr-Nd同位素成份，而后期结晶的浅色体的Sr-Nd同位素组成则位于榴辉岩和片麻岩围岩的之间；以及，4) 浅色体的结晶温度在~850和~770℃之间，结晶压力大范围地覆盖了超高压和高压阶段 (P = 3.5–2.2 GPa)，分别对应浅色体年龄从老(更高压力)至新(更低压力)的变化规律。
Fig. 1 Geological map of Sulu belt, Eastern China (bolded red location names are the places reported with evidence of partially-melted eclogite）
图1. 中国东部苏鲁造山带地质图，红色粗体名称为已报道部分熔融榴辉岩的地名。
在变质峰期，变质压力可能超过5.5 Gpa，原岩很可能是缺流体或无流体的。在超高压条件下的折返过程中，我们可推测名义无水矿物中的水脱溶，可在榴辉岩中生成了富硅质的超临界流体，并演化成浓度、粘滞度和聚合性更高的含水熔体。当来自围岩片麻岩的富溶质超临界流体向榴辉岩发生渗透，从而与来自榴辉岩的熔体发生混合，产生了在榴辉岩和片麻岩这两种端元组分之间变化的Sr-Nd同位素成份，并被较低压力下结晶的浅色体记录下来。随后，在接近折返结束时，在中下地壳(P为1.0 – 0.9 GPa, T<640℃)深度，浅色体中结晶的多硅白云母发生有限的分解熔融。发育的典型显微构造特征有，多硅白云母周围的和斜长石+黑云母集合体和长石熔体薄膜、颗粒边界结晶的钾长质尖锐状细脉和熔斑[Wang et al., 2017; 2020]。
2. 高压折返阶段的熔融机制和产物
一直以来，天然榴辉岩中很少有记录保存完好的部分熔融反应的证据。桃行的含多硅白云母与黝帘石榴辉岩，以及威海的双矿物榴辉岩，通常被认为需要通过含水矿物多硅白云母分解熔融(如桃行)，或由于由名义无水矿物石榴石和绿辉石组成、组合内没有含水矿物导致其总体水含量低而无法在俯冲P–T条件下发生熔融(如威海)。最近，我们的研究则打破这一传统认识，率先报道苏鲁变质带桃行和威海超高压榴辉岩中以绿辉石分解为主导的原位部分熔融证据。
对桃行和威海榴辉岩部分熔融事件的温压估算结果分别为：P = 1.6–1.2 GPa和T = 780–690 ℃；P = 1 GPa 和 T = 880–820 ℃。部分熔融的判别性证据包括: (1) 两类寄主榴辉岩中均存在由斜长石、自形角闪石，以及少量钾长石±绿帘石组成的原位浅色体囊；(2) 浅色体囊中呈骸晶形态的绿辉石较造岩矿物绿辉石呈现出较低的硬玉分子含量；(3) 富钠斜长石和石英细脉沿颗粒边界延伸并与造岩矿物分隔开，在矿物颗粒边界接触的三联点处表现出极小的二面角。
根据浅色体囊内的矿物含量和成分含量，对浅色体囊的主要氧化物和微量元素组成进行模式全岩估算，结果表明，部分熔融由绿辉石而非其它造岩矿物（如石榴石、多硅白云母和/或黝帘石）分解所主导，并在榴辉岩相向角闪岩相过渡阶段形成浅色闪长质熔体成分 [Feng et al., 2021; Wang et al., 2021]。在桃行榴辉岩的锆石生长薄边处获得的加权平均年龄约为217–214 Ma，记录了熔体的结晶时间；而威海榴辉岩的变质锆石年龄则具有更广的范围(约230 –210 Ma) 。随后，榴辉岩局部被苏鲁造山带广泛分布的角闪岩相后成合晶叠加。
3. 结论
综上，我们得出结论，在陆-陆碰撞带中，深俯冲榴辉岩沿P-T折返轨迹经历了不同的熔流体演化过程。在早期的减压过程中，超高压榴辉岩可通过名义无水矿物的脱羟基作用形成富溶质的超临界流体或粒间熔体，而在后期高压折返过程中则通过多硅白云母分解和/或绿辉石分解引发部分熔融。这些新的认识支持前人通过数值模拟和实验岩石学研究提出的部分熔融促进超高压变质岩从地幔深处折返这一假说。
部分参考文献：
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