再循环大陆地壳与地幔难熔橄榄岩相互作用实验研究

Subduction enables the mass and energy exchange between the crust and the mantle, which defines their growth, reworking, tectonic activities, magmatism and large-scale mineralization, and plays a profound role in the solid Earth’s formation and evolution. However, the melting processes in recycled continental crust and the crust-mantle interaction mechanism still remain poorly constrained. Alarmingly few experimental studies have addressed this issue since most are only around oceanic island arc settings rather than continental subduction zones. More comprehensive and systematic experimental work on this subject needs to be carried out to better understand continental crust-mantle interaction mechanism. Therefore, this proposal aims to conduct a series of HTHP continental crust-refractory mantle hybridization experiments using either natural samples or synthetic materials under different PT conditions, to systematically investigate the phase and melting relations, phase compositions, stability ranges, melting reactions, and trace element partitioning coefficients between hybrid melts and the residue. The obtained new data can be used to evaluate the continental crust-mantle interaction processes during subduction, and to experimentally constrain the origin of Alpine-Himalayan orogenic belt potassium-rich magmatism. In addition, this proposed experimental study will offer new evidence for us to better understand continental dynamics.

俯冲作用实现了地壳与地幔之间物质和能量的交换，并引发地壳和地幔的重塑、改造、构造-岩浆作用和大规模成矿作用，对固体地球的形成与演化有着深远影响。然而，有关俯冲大陆地壳的再循环、部分熔融和壳幔交换仍旧是壳幔相互作用研究中未解决的难点和关键科学问题，相关可供直接应用的高温高压实验研究结果非常有限。本申请将瞄准大陆俯冲隧道中壳幔交换作用这一国际前沿问题，以阿尔卑斯-喜马拉雅造山带这一独特的大陆动力学地质现象为依托，开展壳幔相互作用过程的高温高压实验研究，系统调查不同温压条件下大陆地壳-地幔难熔橄榄岩相互反应过程中熔体和平衡相之间的关系、熔体性质及产物成分和熔融反应过程，准确测定关键微量元素在熔体相中的分配系数。其结果对于理解地球内部物质及能量再循环、壳幔相互作用、俯冲带混合熔融过程、造山带岩浆岩成因以及对进一步发展大陆动力学具有重要的科学意义。

由于再循环物质（洋壳和陆壳）组成上的差异，必然造成陆壳物质和洋壳物质在地幔中熔融行为的不同。长久以来，大洋俯冲带一直被认为是壳幔相互作用最为活跃的区域，因此有关俯冲板片的部分熔融实验研究大多围绕大洋地壳展开，而关于大陆地壳的部分熔融及其与周覆地幔橄榄岩相互作用实验研究非常缺乏。本项目瞄准壳幔交换作用这一国际前沿问题，以阿尔卑斯-喜马拉雅造山带这一独特的大陆动力学地质现象为依托，开展壳幔相互作用过程的高温高压实验研究，系统调查了不同温压条件下大陆地壳-地幔难熔橄榄岩相互反应过程中熔体和平衡相之间的关系、熔体性质及产物成分和熔融反应过程，准确测定了关键微量元素在熔体相中的分配系数。实验结果表明，陆壳熔体含有很高的Rb（100-220 ppm）和Ba（400-870 ppm）含量，且具有与大陆地壳相似的Nb/Ta，Zr/Hf和Rb/Cs比值；澄清了钾质岩源区中金云母的作用，颠覆了学术界一直以来认为的“钾质岩浆源区中一般都需要金云母为岩浆提供钾”的刻板印象，从而为理解钾质岩成因和大陆地壳-地幔橄榄岩相互反应提供了全新的视角。此外，提出浅俯冲模型对于阿尔卑斯-喜马拉雅造山带钾质-超钾质岩成因的约束，明确了混杂岩中伴生的蓝片岩在造山带碰撞后钾质-超钾质岩成岩过程中的重要作用。其结果对于理解地球内部物质及能量再循环、壳幔相互作用、俯冲带混合熔融过程、造山带岩浆岩成因以及对进一步发展大陆动力学具有重要的科学意义。