水是上地幔的主要揮發(fā)組分之一。地球深部的水循環(huán)是高壓地球科學研究的熱點問題之一。在大洋俯沖帶和陸內俯沖帶，俯沖板片攜帶含水地殼物質進入軟流圈。再循環(huán)地殼物質脫水熔融形成的含水熔體在向上運移的過程中，與地幔橄欖巖發(fā)生反應，改變后者的巖石學和地球化學屬性。橄欖巖中的含水礦物的廣泛存在暗示地幔發(fā)生過含水熔體與橄欖巖的相互作用。雖然“干”體系下熔-巖反應的動力學已得到較為深入的研究，但是熔體中水對反應動力學的影響如何？尚缺乏明確認知。這限制了人們對上地幔含水熔體運移和地幔交代機制的深入理解。例如，橄欖巖中含角閃石的斜方輝石巖脈是如何形成的？地幔深部的含水熔體如何運移至淺部？回答這些問題對揭示地球深部動力學理論的具有重要意義。
針對以上科學問題，吉林大學地球科學學院許文良教授科研團隊中的王春光副教授與美國布朗大學梁焱教授合作，使用活塞圓筒式高溫高壓裝置，開展了一系列熔體-橄欖巖反應實驗和反應結晶實驗。取得主要認識如下：
（1）含水玄武質熔體與橄欖巖反應，形成高孔隙度斜方輝石巖反應帶（圖1）。反應結果不同于無水條件下所形成的純橄巖或方輝橄欖巖反應帶。
（2）熔體中的水改變了體系的熱力學性質和反應動力學過程：熔體中的水使橄欖巖發(fā)生部分熔融，產生富含斜方輝石組分的熔體和貧輝石橄欖巖；熔-巖界面處，富SiO2的混和熔體（部分熔融的熔體+初始熔體）與殘留橄欖巖反應，消耗橄欖石，生成斜方輝石，從而形成斜方輝石巖反應帶（圖2a-2c）。
（3）如果含水熔體交代淺部地幔或殼-幔邊界處，即熔-巖反應伴隨著冷卻過程，則液相線以下的礦物斜方輝石、單斜輝石、角閃石、斜長石依次結晶，形成含角閃石的橄欖巖-輝石巖-輝長蘇長巖序列（圖2d-2f，圖3）。
（4）實驗結果在巖性序列、巖石結構和礦物成分上與天然樣品近似，印證了熔體中水對上地幔熔-巖反應動力學的重要影響（圖1，圖3）。
（5）橄欖巖中斜方輝石巖巖墻和巖脈的出現對含水熔體運移具有指示意義。高孔隙度斜方輝石巖可能作為含水熔體運移的通道。
該系列研究通過高溫高壓實驗模擬，查明了熔體中水對熔-巖反應的動力學的影響，探討了含水熔體運移和地幔交代的深部過程及機制，為深入理解不同構造背景下地幔不均一性的成因提供了直接的實驗巖石學制約。
該項研究得到了國家自然科學基金（91014004, 41602043）和國家關鍵基礎研究項目（2015CB856101）的共同資助。研究成果發(fā)表在國際權威地學期刊Contributions to Mineralogy and Petrology 和 Journal of Geophysical Research: Solid Earth上，論文信息如下：
Wang, C., Liang, Y., Xu, W. (2021). Formation of amphibole-bearing peridotite and amphibole-bearing pyroxenite through hydrous melt-peridotite reaction and in situ crystallization: An Experimental Study. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2020JB019382. https://doi.org/10.1029/2020JB019382
Wang, C., Liang, Y., Dygert, N, Xu, W. (2016). Formation of orthopyroxenite by reaction between peridotite and hydrous basaltic melt: an experimental study. Contributions to Mineralogy and Petrology, 171, 77. https://doi.org/10.1007/s00410-016-1287-z
圖1. 含水熔體-橄欖巖反應實驗結果（左）與蛇綠巖（右）中的斜方輝石巖-純橄欖序列
圖2. 含水熔體-橄欖巖反應過程（a-c）及反應結晶過程（d-f）的示意圖
圖3. 含水熔體-橄欖巖反應結晶實驗結果（左）與殼幔邊界（右）的蘇長輝長巖-斜方輝石巖-角閃橄欖巖序列
參考文獻
Antonicelli, M., Tribuzio, R., Liu, T., Wu, F. Y. (2020). Contaminating melt flow in magmatic peridotites from the lower continental crust (Rocca d’Argimonia sequence, Ivrea–Verbano Zone). European Journal of Mineralogy, 32, 587–612.
Iyer, K., Jamtveit, B., Mathiesen, J., Malthe-S?renssen, A., Feder, J. (2008). Reaction-assisted hierarchical fracturing during serpentinization. Earth and Planetary Science Letters, 267, 503–516.
