GCA: 大陆俯冲带大规模的变质流体活动

来源：中国科学院

俯冲带中的流体活动是板块构造研究的一个重要组成部分，它不仅可以引起矿物反应，诱导岩石体系发生熔融，催化变质反应进行，此外俯冲板块内部存在的流体活动，可以引起元素和同位素变化，对造山带的构造热演化、壳幔相互作用和地壳物质再循环等具有重要影响。传统观点认为，相比于由蚀变的洋壳玄武岩及其上覆沉积物所构成的大洋俯冲带，由古老结晶基底及上覆沉积物组成的大陆地壳，相对缺水，且俯冲速度较快，因此难以释放出充分的流体交代上覆地幔楔形成岛弧岩浆岩。但近年来研究发现，大陆俯冲和折返过程中伴随着变质脱水，甚至引起高压/超高压变质岩的部分熔融。然而，目前对大陆俯冲隧道内产生的流体的时限、机制和规模认识比较缺乏，这极大制约了我们对板块构造的进一步认识。硬玉富集的岩石是一种稀少且与流体作用密切相关的变质岩，同时出露于洋壳和陆壳俯冲带中，是研究俯冲带流体来源、组成和规模的理想对象。

    为此，中国科学技术大学中科院壳幔物质与环境重点实验室高晓英特任教授对中国东部大别造山带中出露的硬玉石英开展了详细的岩石和地球化学研究工作。研究发现，位于长达50km，宽约1km的呈弧形分布的硬玉石英岩带上，来自不同地区的锆石U-Pb数据点都落在不一致线（具有1.9-2.0 Ga上交点年龄和224-235 Ma下交点年龄）。具有稍高于地幔的全岩O同位素值（6.3-9.4‰）以及明显高于地幔的δ²⁶Mg值（-0.16-0.61‰，图1），低的化学风化指数(CIA，45-57)，以及Mg同位素与主微量元素明显的相关性（Na₂O/K₂O，Al₂O₃/MgO与具有明显负相关性；MgO，Rb/La, Rb/Gd, Rb/Lu, Rb/Nb与Mg同位素具有明显正相关性）。

图1. 大别山硬玉石英岩O同位素（图1a）和Mg同位素（图1b）组成 

     这些地球化学数据表明：古元古代TTG岩石，在三叠纪俯冲到弧下深度时受到由周围富黑云母副片麻岩脱水形成的高δ²⁶Mg流体交代，从而形成了我们现在所观测到的硬玉石英岩（图2d）。进一步利用MgO含量与Mg同位素两端元数值模拟计算，结果显示大陆俯冲带要产生这种重Mg同位素的硬玉石英岩，至少需要加入25-50 wt.%的富水流体来交代原岩（图2c）。考虑到这种受流体交代成因的硬玉石英岩在大别山出露规模达50km²，表明其在三叠纪大陆深俯冲过程中存在着大规模的变质流体活动（图2），这项研究首次报道了大陆俯冲带有如此大规模的流体活动存在，同时也挑战了传统观点认为的大陆俯冲带缺乏岛弧岩浆作用主要原因是缺乏足够量的流体活动。

图2. 大别山硬玉石英岩流体交代成因卡通图。(a)大别山硬玉石英岩分布地形图；(b)大陆俯冲带TTG岩石受到流体交代形成硬玉石英岩；(c) MgO-Mg同位素两端元混合模拟计算图；(d)大陆俯冲隧道内流体-岩石作用

研究成果近期发表于Geochimica et Cosmochimica Acta：Gao X Y*, Wang L, Chen Y X, Zheng Y F, Chen R X, Huang F, Zhang Q Q, Ji M, Meng Z Y, 2019. Geochemical evidence from coesite-bearing jadeite quartzites for large-scale flow of metamorphic fluids in a continental subduction channel. Geochimica et Cosmochimica Acta, Doi: 10.1016/j.gca.2019.09.006