俯沖帶是地球淺表和深部物質(zhì)交換的關(guān)鍵場(chǎng)所，其物質(zhì)的循環(huán)樣式是理解俯沖帶過程的前沿科學(xué)問題。計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)模擬表明在俯沖板片與地幔楔接觸界面會(huì)發(fā)生蝕變洋殼、沉積物和橄欖巖的物理混合，形成俯沖混雜巖。俯沖混雜巖具有較低的密度，在浮力作用下底劈進(jìn)入地幔楔內(nèi)部，發(fā)生部分熔融，形成特殊的堿性巖漿，實(shí)現(xiàn)俯沖物質(zhì)近固態(tài)的循環(huán)樣式。然而，上述過程僅來自少量實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)和熱力學(xué)數(shù)值模擬的推測(cè)，但天然俯沖帶中是否存在上述過程則亟待驗(yàn)證，更是缺乏對(duì)可能誘發(fā)上述過程的地幔動(dòng)力學(xué)過程的研究。
針對(duì)以上問題，吉林大學(xué)許文良教授引領(lǐng)的“地球深部動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”成員王楓教授等通過對(duì)中國(guó)東北地區(qū)漸新世霓霞正長(zhǎng)巖的主微量元素以及全巖Sr-Nd-Pb-Mg-Zn同位素的綜合研究（圖1），證實(shí)霓霞正長(zhǎng)巖的混雜巖底劈熔融成因，并結(jié)合東北亞構(gòu)造環(huán)境演化，揭示了俯沖混雜巖底劈熔融的地幔動(dòng)力學(xué)條件。具體研究成果如下：
1. 證實(shí)了中國(guó)東北地區(qū)漸新世霓霞正長(zhǎng)巖的混雜巖底劈熔融成因。霓霞正長(zhǎng)巖的主微量元素組成具有與天然混雜巖實(shí)驗(yàn)熔體相同的趨勢(shì)特征（圖2A和2B）；尤為重要的，樣品表現(xiàn)出混雜巖熔融過程所特有的Hf-Nd顯著分餾但Nd同位素組成幾乎不變的特征 （圖3A）。此外，樣品具有顯著重于地幔的Mg同位素組成，與推測(cè)的經(jīng)歷過脫水作用的混雜巖組分相一致（圖2C）。
圖1 東北亞陸緣新生代堿性火成巖分布圖。圓形代表基性堿性巖，方形代表中性堿性巖，顏色代表年齡。數(shù)據(jù)來自GEOROC數(shù)據(jù)庫(kù)（http://georoc.mpch-mainz. gwdg.de/georoc/）
2. 限定了俯沖混雜巖底劈熔融作用的起始深度。相較于天然混雜巖實(shí)驗(yàn)熔體，本次研究的部分樣品具有更高的輕稀土元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素含量，與碳酸鹽化硅酸鹽熔體一致（圖2B）。樣品Sr-Nd-Zn同位素組成進(jìn)一步指示了碳酸鹽化橄欖巖端元的參與（圖3B和3C），且碳酸鹽類型以菱鎂礦為主（圖3B和3C）。因此，可以將相互作用深度限定在軟流圈，這比之前的實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)等方面工作推測(cè)的俯沖混雜巖底劈熔融的起始深度更深。
圖2 (A)漸新世火山巖的TAS圖；（B）原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖；（C）Mg-Zn同位素變異圖
3. 揭示了東北亞漸新世-更新世俯沖混雜巖底劈熔融作用的時(shí)空變異與地幔動(dòng)力學(xué)過程。基于前人數(shù)據(jù)，本次研究在靠近海溝的日本海盆地中識(shí)別到了具有相同成因、且形成時(shí)代更為年輕的（ca. 1.4 Ma）的巖漿作用產(chǎn)物（郁陵島堿性巖；圖1和圖4）。上述俯沖混雜巖底辟熔融作用的時(shí)空變化記錄了漸新世以來，近垂直于海溝方向地幔角流的東遷過程，與該地區(qū)誘發(fā)日本海打開的東向地幔流方向相一致（Dong et al., 2023）。此外，結(jié)合東北亞深部地幔具有低黏度和引張應(yīng)力場(chǎng)等特征，表明混雜巖底辟熔融更傾向于出現(xiàn)在垂直海溝地幔流控制的構(gòu)造轉(zhuǎn)換階段。
圖3 （A）Nd同位素vs. Hf/Nd圖（修改自Nielsen and Marschall, 2017）；（B）Zn同位素 vs. Sr同位素比值圖；（C）Zn同位素 vs. Nd同位素比值圖
圖4 中國(guó)東北漸新世中性堿性巖成因示意圖
以上研究成果于2024年4月以“Oligocene melting of subducted mélange and its mantle dynamics in northeast Asia”為題發(fā)表于國(guó)際地質(zhì)學(xué)權(quán)威期刊《Geology》上。洪恪淳博士研究生是論文的第一作者，王楓教授為該文的通訊作者，參與本項(xiàng)研究的還有張思文、許文良、王旖旎和楊德彬。該工作由國(guó)家自然科學(xué)基金（42130302和42372065）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0801002）和吉林大學(xué)科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)（2021-TD-05）聯(lián)合資助。研究的詳細(xì)信息請(qǐng)參考原文。
原文信息：
Ke-Chun Hong, Feng Wang*, Si-Wen Zhang, Wen-Liang Xu, Yi-Ni Wang, De-Bin Yang. Oligocene melting of subducted mélange and its mantle dynamics in northeast Asia. Geology (April 13, 2024). https://doi.org/10.1130/G52115.1.
參考文獻(xiàn):
Dong et al., 2023, Geology, 51, 193-198. Nielsen and Marschall, 2017, Science Advances, 3.
