俯冲带是地球浅表和深部物质交换的关键场所，其物质的循环样式是理解俯冲带过程的前沿科学问题。计算地球动力学模拟表明在俯冲板片与地幔楔接触界面会发生蚀变洋壳、沉积物和橄榄岩的物理混合，形成俯冲混杂岩。俯冲混杂岩具有较低的密度，在浮力作用下底劈进入地幔楔内部，发生部分熔融，形成特殊的碱性岩浆，实现俯冲物质近固态的循环样式。然而，上述过程仅来自少量实验岩石学和热力学数值模拟的推测，但天然俯冲带中是否存在上述过程则亟待验证，更是缺乏对可能诱发上述过程的地幔动力学过程的研究。
针对以上问题，吉林大学许文良教授引领的“地球深部动力学创新团队”成员王枫教授等通过对中国东北地区渐新世霓霞正长岩的主微量元素以及全岩Sr-Nd-Pb-Mg-Zn同位素的综合研究（图1），证实霓霞正长岩的混杂岩底劈熔融成因，并结合东北亚构造环境演化，揭示了俯冲混杂岩底劈熔融的地幔动力学条件。具体研究成果如下：
1. 证实了中国东北地区渐新世霓霞正长岩的混杂岩底劈熔融成因。霓霞正长岩的主微量元素组成具有与天然混杂岩实验熔体相同的趋势特征（图2A和2B）；尤为重要的，样品表现出混杂岩熔融过程所特有的Hf-Nd显著分馏但Nd同位素组成几乎不变的特征 （图3A）。此外，样品具有显著重于地幔的Mg同位素组成，与推测的经历过脱水作用的混杂岩组分相一致（图2C）。
图1 东北亚陆缘新生代碱性火成岩分布图。圆形代表基性碱性岩，方形代表中性碱性岩，颜色代表年龄。数据来自GEOROC数据库（http://georoc.mpch-mainz. gwdg.de/georoc/）
2. 限定了俯冲混杂岩底劈熔融作用的起始深度。相较于天然混杂岩实验熔体，本次研究的部分样品具有更高的轻稀土元素和高场强元素含量，与碳酸盐化硅酸盐熔体一致（图2B）。样品Sr-Nd-Zn同位素组成进一步指示了碳酸盐化橄榄岩端元的参与（图3B和3C），且碳酸盐类型以菱镁矿为主（图3B和3C）。因此，可以将相互作用深度限定在软流圈，这比之前的实验岩石学等方面工作推测的俯冲混杂岩底劈熔融的起始深度更深。
图2 (A)渐新世火山岩的TAS图；（B）原始地幔标准化微量元素蛛网图；（C）Mg-Zn同位素变异图
3. 揭示了东北亚渐新世-更新世俯冲混杂岩底劈熔融作用的时空变异与地幔动力学过程。基于前人数据，本次研究在靠近海沟的日本海盆地中识别到了具有相同成因、且形成时代更为年轻的（ca. 1.4 Ma）的岩浆作用产物（郁陵岛碱性岩；图1和图4）。上述俯冲混杂岩底辟熔融作用的时空变化记录了渐新世以来，近垂直于海沟方向地幔角流的东迁过程，与该地区诱发日本海打开的东向地幔流方向相一致（Dong et al., 2023）。此外，结合东北亚深部地幔具有低黏度和引张应力场等特征，表明混杂岩底辟熔融更倾向于出现在垂直海沟地幔流控制的构造转换阶段。
图3 （A）Nd同位素vs. Hf/Nd图（修改自Nielsen and Marschall, 2017）；（B）Zn同位素 vs. Sr同位素比值图；（C）Zn同位素 vs. Nd同位素比值图
图4 中国东北渐新世中性碱性岩成因示意图
以上研究成果于2024年4月以“Oligocene melting of subducted mélange and its mantle dynamics in northeast Asia”为题发表于国际地质学权威期刊《Geology》上。洪恪淳博士研究生是论文的第一作者，王枫教授为该文的通讯作者，参与本项研究的还有张思文、许文良、王旖旎和杨德彬。该工作由国家自然科学基金（42130302和42372065）、国家重点研发计划（2022YFF0801002）和吉林大学科技创新研究团队（2021-TD-05）联合资助。研究的详细信息请参考原文。
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.
参考文献:
Dong et al., 2023, Geology, 51, 193-198. Nielsen and Marschall, 2017, Science Advances, 3.
