含水熔体-橄榄岩反应动力学的高温高压实验研究

Interaction between hydrous melt and peridotite happens in the upper mantle from a range of tectonic settings such as subduction zone, active continental margin, and intracontinental orogenic belt. Studying the reaction kinetics is fundamental to understanding the mechanism of hydrous melt transport in the mantle and gneisses of a series of igneous rocks and mantle lithologies. Significant progresses have been made in understanding the kinetics of melt-peridotite interaction in anhydrous systems through laboratory experiments. Experimental study on hydrous melt-peridotite reaction is still weak. In this project, we plan to carry out experimental study that focuses on the kinetics of hydrous melt-peridotite interaction. Experiments will be run by reacting different hydrous melts (in terms of major element composition and water content) with dunite/lherzolite at conditions corresponding to the Earth’s upper mantle. By looking into the textual and compositional results of the experiments, we will be able to understand the effects of melt major element composition and water content on the kinetics of melt-peridotite interaction. Our investigation will shed new light on the mechanism of melt transport in the upper mantle from experimental perspective.

含水熔体-橄榄岩反应发生在一系列构造环境的上地幔中(如俯冲带、活动大陆边缘及陆内造山带)。研究其动力学，是认识含水熔体在地幔中运移机制以及一系列火成岩和地幔岩成因的关键。无水体系下，对熔体-橄榄岩反应动力学的实验研究已经取得显著进展，而含水体系的实验研究还很薄弱。本项目以含水熔体-橄榄岩反应的动力学为核心科学问题，开展高温高压实验研究。实验选取具有不同主量元素成分和H2O含量的熔体做为初始反应熔体，纯橄岩或二辉橄榄岩作为初始橄榄岩，在上地幔温度、压力条件下进行。通过对实验结果的结构和成分分析，查明熔体主量元素成分和H2O含量对熔体-橄榄岩反应动力学的影响。最终，为进一步完善上地幔熔体运移机制提供实验依据和约束。

含水富硅熔体-橄榄岩反应是地幔交代作用和上地幔熔体运移的重要环节。研究其反应动力学，是认识一系列火成岩和地幔岩成因的关键。鉴于此，本项目开展了一系列不同条件下，不同化学成分和含水量的硅质熔体与不同物理状态二辉橄榄岩反应的实验研究，以及与天然地幔样品的对比研究。在高温高压实验结果中识别出两种反应机制：橄榄岩亚固相条件下的低温反应机制和橄榄岩部分熔融条件下的高温反应机制。低温机制以石榴石和单斜辉石的结晶为特征，伴随少量二辉橄榄岩的溶解。高温机制以橄榄中矿物的溶解-结晶-重结晶为特征，形成二辉橄榄岩-方辉橄榄岩-富斜方辉石方辉橄榄岩序列。在熔体中含水时，反应形成斜方辉石岩反应带。高温机制（尤其在熔体中含水时）反应速率明显高于低温机制。低温机制下，熔体的SiO2、Na2O含量升高，Al2O3、FeO、CaO含量降低；高温机制下，熔体的MgO、FeO、CaO含量和Mg#大幅度升高，SiO2、Al2O3、Na2O含量明显降低。在矿物学和岩石结构上，低温机制实验结果与大陆内部地幔橄榄岩及其中石榴辉石岩脉具有相似的特征，高温机制实验结果与来自于古老克拉通岩石圈地幔的捕掳体具有相似的特征。两种机制下熔体成分变异趋势的共同调节可解释华北克拉通晚中生代高镁岩浆岩的成分变异。作为实验研究的应用，以对华北克拉通鲁西地区和太行山南段地区高镁闪长岩中不同类型的橄榄岩捕掳体为对象，进行了系统的全岩Sr、Nd、Re、Os同位素和橄榄石原位O同位素分析。结合实验结果，限定了地幔岩石的成因。认为不同机制的熔体-橄榄岩反应作用于克拉通上地幔的不同部位。高温机制和含水反应作用于岩石圈-软流圈界面，低温机制作用于岩石圈地幔内部。两种反应机制共同造成古老克拉通岩石圈地幔性质的转变，并形成高镁岩浆岩的成分特征。该项目研究不仅对揭示上地幔矿物学和地球化学不均一性的形成机制具有重要意义，同时对研究大陆内部火成岩成分变异的动因提供理论依据。