俯冲带是壳幔物质能量交换的重要场所之一。自上世纪80年代以来，大陆表壳岩石中柯石英、金刚石等高压-超高压矿物的发现，证明低密度的大陆地壳同样可俯冲至深部地幔继而折返至地壳深度。然而，俯冲陆壳在物质成分及结构上与洋壳存在着显著不同，其与地幔相互作用的过程仍存有诸多未知。例如，在大别-苏鲁以及挪威西片麻岩省等超高压地体中，陆壳脱水及熔融主要发生于减压折返阶段；然而这些地体产出的造山带橄榄岩及辉石岩普遍记录了高压-超高压（4-6 GPa）条件下陆壳熔/流体交代事件。
中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室高温高压实验学科组高名迪博士、地幔地球化学学科组王煜研究员，联合中国地质大学（武汉）续海金教授、澳大利亚麦考瑞大学Stephen Foley教授，通过在5 GPa，800-1100 oC温压条件下开展的一系列长英质片麻岩-橄榄岩相互反应高温高压实验研究，为厘清超高压条件下俯冲陆壳与地幔的相互作用过程及机理提供了全新实验岩石学约束。
研究发现在实验条件下，温度低于片麻岩固相线时交代地幔介质为富水流体（aqueous fluid），与橄榄岩反应产物主要为斜方辉石+金云母+钾碱镁闪石（图1）。温度高于固相线条件下交代介质为含水熔体（hydrous melt）。同时随片麻岩熔融程度增加，主要交代产物由斜方辉石+金云母逐渐转变为斜方辉石+石榴子石（图1）。脱水熔融条件下，这一相转变温度在1000-1100 oC之间，而在水饱和熔融条件下，这一相转变温度降至800-900 oC之间。大别-苏鲁、挪威西片麻岩省等超高压地体的辉石岩主要记录了4-6 GPa，750-1000 oC条件下交代成因的辉石与石榴子石生长。实验结果显示，在相似温压条件下，只有陆壳水饱和熔融才能诱发这些交代矿物的形成。进一步证明超高压条件陆壳的水致熔融是诱发大陆俯冲带壳幔作用的一种重要机制。
传统观点认为，俯冲古老陆壳是相对贫水的。而该研究结果证明，陆壳即使俯冲至超高压条件下局部乃至整体仍然是较为富水的。长英质陆壳在深俯冲过程中通常会携带部分基性-超基性块体。在高压-超高压条件下，蛇纹石、硬柱石以及绿泥石是这些基性-超基性块体中常见的含水矿物，其水含量可达～10 wt%。其中，绿泥石具有最高的稳定温度，因此是诱发长英质陆壳水致熔融最有可能的水的来源。研究人员进一步结合陆壳俯冲P-T轨迹，陆壳熔融及熔体-地幔相互作用过程可概括如图2及图3所示：陆壳俯冲至图2中B点后，俯冲陆壳中含绿泥石的岩石会发生绿泥石分解进而释放流体。由于此时温度高于花岗岩湿固相线，释放的流体可诱发以长英质岩石为主体的陆壳熔融，产生熔体具有富铝的特征，其与上覆地幔楔反应形成石榴辉石岩交代体。随着交代过程不断进行，熔体被不断消耗且演化至愈发富钾富水，演化的熔体进一步与地幔反应进而生成金云母（图3），这也进一步解释了超高压地体石榴辉石岩中偶见金云母的现象。
该研究成果近期发表于国际地学权威期刊《Geology》上。该项研究受国家重点研发计划（2022YFF0801001）、国家自然科学基金（42222204，42203040，42072058，41772054）和中国科学院青年创新促进会等项目的资助。
论文信息： Gao, M. (高名迪), Foley, S., Xu, H. (续海金), Wang, Y. (王煜), 2023, Mantle metasomatism induced by water-fluxed melting of subducted continental crust at ultrahigh pressures: Geology, https://doi.org/10.1130/G51547.1
图1. 典型实验产物背散射图像。（A-F）为脱水熔融实验组。（G-L）为水致熔融实验组。
图2. 陆壳深俯冲熔融过程示意图。灰色粗箭头代表陆壳俯冲-折返P-T轨迹，椭圆阴影区域为大别-苏鲁及挪威西片麻岩省典型辉石岩记录的交代作用P-T范围。矿物缩写：Chl-绿泥石，Phen-多硅白云母，Ant-叶蛇纹石，Law-硬柱石。
图3. （A-C）深俯冲陆壳-地幔相互作用过程示意图。（D-E）实验交代产物斜方辉石与石榴子石与超高压地体辉石岩中斜方辉石与石榴子石稀土成分对比图，天然样品与实验产物相似的稀土配分模式证明其交代成因。
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