# 俯冲起始期间的地幔楔交代作用：矿物转变与流体通量——以纽芬兰BOIC蛇绿岩为例

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Mantle Wedge Metasomatism During Subduction Initiation: Mineral Transformations and Fluid Fluxes (BOIC Ophiolite, Newfoundland)

　　

蛇绿岩的变质底辟（metamorphic sole）保存了在强烈变形的 mantle 橄榄岩（mantle peridotites）之下、于角闪岩相至麻粒岩相条件下变质的洋壳切片，为研究 nascent 俯冲界面（subduction interface）上的流体与物质运移提供了关键记录。本研究通过野外观察、岩石学与地球化学方法，对纽芬兰 Bay of Islands Ophiolitic Complex（BOIC）中的这些过程进行了调查。结构构造与化学成分分析揭示， basal peridotites 发生了渐进式交代作用（progressive metasomatism），表现为 pargasite 角闪石的结晶以及辉石、橄榄石和尖晶石成分的变化，影响范围可达 metamorphic sole 之上2 km。地幔橄榄岩自远离接触带的弱变形 porphyroclastic peridotite，向靠近接触带的 ultramylonite 演化，反映了流体辅助的应变局部化（fluid-assisted strain localization）。橄榄岩温度计指示同构造冷却过程，温度自约1150°C降至800°C。在接触带处，原始地幔来源矿物已被再平衡的超镁铁质变质矿物组合完全替代。微量元素分析表明，交代作用主要由含水流体（aqueous fluid）渗透所触发，熔体渗透在空间上受限且规模有限。其下伏的 nascent 俯冲板片（即未来变质底辟）的脱水作用，很可能是交代流体的来源。基于这些观察，结合与其他蛇绿岩的对比，提出了年轻地幔楔的岩石学演化模型——在其它蛇绿岩中，高效的物质运移同样局限于 metamorphic sole 主构造接触带以上数百米范围内。

# 俯冲起始期间的地幔楔交代作用：矿物转变与流体通量——以纽芬兰BOIC蛇绿岩为例

## 一、研究背景与科学问题

俯冲作用是板块构造的核心过程之一，它将海洋板块从地表带入地幔深处，并将俯冲板片中的流体和熔体释放到上覆地幔楔中，从而触发地幔交代作用（mantle metasomatism）和部分熔融，最终形成富水弧岩浆（arc magma）和大陆地壳。然而，由于俯冲界面深埋于地表以下数十公里，直接观察和定量约束俯冲板片至上覆地幔楔之间的流体与物质运移通量一直极具挑战。尽管对弧岩浆成因已有大量地球物理和实验研究，但天然保留下来的、经历俯冲相关流体改造的地幔楔橄榄岩记录却十分稀少，且大多缺乏下板片（流体源）与上板片地幔之间的空间关系保存。

蛇绿岩（ophiolite）作为仰冲到大陆上的古洋壳碎片，为解决这一难题提供了独特窗口。在许多蛇绿岩底部，来自地幔楔的橄榄岩直接覆盖在俯冲洋壳之上，后者以变质底辟（metamorphic sole）的形式保存。这两套岩石单元记录了兼容的压力—温度（P–T）条件，被解释为俯冲起始（subduction initiation）期间构造并置的结果。因此，仰冲蛇绿岩的底部为约束俯冲界面的物质运移预算、新生地幔楔的成分与交代作用，以及从新生俯冲向成熟俯冲演化的“slabitization”过程提供了独一无二的研究载体。

纽芬兰的Bay of Islands Ophiolitic Complex（BOIC）是世界上最早被描述且保存最完好的蛇绿岩之一，其Table Mountain和North Arm两个岩体出露了厚约6 km的完整地幔剖面及下伏的高温变质底辟。然而，自Suhr（1993）的经典野外工作以来，对BOIC basal peridotites 及其与变质底辟接触关系的研究长期处于空白状态。本研究旨在通过系统的结构、岩相学、矿物化学和地球化学分析，全面刻画 basal peridotites 所经历的矿物学和化学成分转变，约束流体/熔体的性质和来源，精化两套岩石单元的并置P–T条件，并与阿曼Semail蛇绿岩和魁北克Mont Albert蛇绿岩进行对比，从而在独立于区域地质背景的前提下，深化对俯冲起始期间俯冲界面流体与物质运移规律的认识。

## 二、研究方法概述

研究人员在BOIC的Table Mountain和North Arm两个岩体沿两条横穿构造接触带的剖面进行了系统采样，从变质底辟之下约80 m延伸至地幔剖面之上约4 km，共采集40件 basal peridotites 样品（包括方辉橄榄岩和二辉橄榄岩）及27件高温变质底辟样品（包括麻粒岩、石榴子石—单斜辉石角闪岩和角闪岩）。样品涵盖了 porphyroclastic peridotite、protomylonite、mylonite、ultramylonite 和 imbricated peridotite 五种结构类型。主要分析手段包括：电子探针（EPMA）进行矿物主量元素分析；电子背散射衍射（EBSD）进行织构和粒度定量分析；激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）进行原位微量元素分析；激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）进行硼同位素（δ¹¹B）分析；全岩主微量元素分析；以及基于Perple_X的热力学平衡相图模拟以约束P–T条件。温度计采用斜方辉石Cr–Al温度计（Witt-Eickschen & Seck, 1991）、斜方辉石Ca温度计（Brey & K?hler, 1990）和辉石REE温度计（Liang et al., 2013）。

## 三、主要研究结果

### 4.1 结构与野外观察

Table Mountain和North Arm岩体的共同特征是，从远离接触带（>4 km）的弱变形方辉橄榄岩到接触带处强变形的二辉橄榄岩，变形强度系统性增强。靠近接触带的橄榄岩发育渐进的糜棱岩化—超糜棱岩化结构，运动学标志指示顶部向北东剪切。Table Mountain岩体在接触带处发育两种构造接触类型：一种是截然的主接触，另一种是由10–40 cm厚、2–20 m长的橄榄岩透镜体与变质底辟互层构成的叠接带（imbricated zone），宽可达20 m。

### 4.2 岩石学、矿物学、结构与应变梯度

Basal peridotites 从远离接触带的 porphyroclastic peridotite（含毫米级Ol1、Opx1、Cpx1原生矿物组合）向 protomylonite、mylonite、ultramylonite 渐变，次生矿物组合（Ol2、Opx2、Cpx2、Spl2、Spl3和角闪石）逐渐增多并最终完全替代原生矿物。变质底辟一侧同样记录了倒转变质梯度：顶部约50 m为麻粒岩和石榴子石—单斜辉石角闪岩，向下过渡为普通角闪岩。叠接橄榄岩仅见于Table Mountain岩体，完全由变质矿物组成，含大颗粒（400 μm–1.5 mm）的 pargasite 角闪石。

### 4.3 全岩地球化学

全岩主量元素显示，叠接橄榄岩和超糜棱岩化二辉橄榄岩代表最富fertile的成分（Al₂O₃ 3.7–4.3 wt.%，CaO 5.6–5.8 wt.%），而 MU4 的方辉橄榄岩最为亏损（Al₂O₃和CaO均低至0.4 wt.%）。REE配分模式显示超糜棱岩的HREE和MREE浓度约为叠接橄榄岩的2倍，但均呈LREE亏损特征。

### 4.4 矿物主量元素成分演化

橄榄石XMg在远离接触带处为0.90–0.92，靠近接触带的超糜棱岩中出现低至0.83的值，叠接橄榄岩中最低可达0.81–0.84。尖晶石XCr从MU5的0.15–0.55降至近接触带超糜棱岩的0.10–0.27，叠接橄榄岩中发育Cr-rich核（XCr~0.4）到Cr-depleted边（XCr~0.01）的环带。单斜辉石和斜方辉石均显示从原生颗粒（Cpx1、Opx1，高Al₂O₃）到次生颗粒（Cpx2、Opx2，低Al₂O₃）的成分变化，次生颗粒从核部到边部Al₂O₃含量系统性降低。角闪石以pargasite为主，其体积分数从porphyroclastic peridotite的<0.5%增至叠接橄榄岩的2.0–7.5%，显著向接触带方向增加。

### 4.5 矿物微量元素成分

原生矿物（Opx1、Cpx1）整体呈LREE亏损，但出现流体活动元素（FME：B、Li）和Pb的正异常。次生矿物（Opx2、Cpx2）相对原生矿物富集Ba、U、Sr、Pb和B，但亏损Cr。超糜棱岩中矿物具有最高的REE浓度和最高的B含量。叠接橄榄岩样品TM22_16的角闪石、Opx2和Cpx2显示Th、U和HFSE（Nb、Ta、Zr、Hf）的明显正异常，而TM22_04则显示强烈的LREE亏损和B、Li富集。

### 4.6 硼同位素组成

Basal peridotites 中大多数矿物的δ¹¹B值高于原始地幔值（?7.1‰），尤以糜棱岩中Opx2的+13‰和超糜棱岩中Ol1/Ol2的约+15‰最为显著。叠接橄榄岩中Opx2平均值为+9‰，B浓度最高可达10 μg/g以上。相比之下，高温变质底辟中矿物的δ¹¹B值普遍较低（角闪石均值?5‰，斜长石均值?7‰，单斜辉石均值?2‰），与MORB值相当或更低。

### 4.7 变形温度估计

三种温度计一致显示，从远离接触带到接触带方向，变形温度系统性降低。Opx1记录了最高温度（porphyroclastic peridotite中1098 ± 67°C，protomylonite中1131 ± 66°C），而Opx2的结晶温度从protomylonite的903 ± 29°C降至mylonite的795 ± 30°C、ultramylonite的840 ± 33°C和叠接橄榄岩的815 ± 69°C。这一温度序列记录了从>1100°C的软流圈变形到约750–850°C的同构造冷却过程。

## 四、讨论与结论

研究人员的讨论围绕五个核心议题展开。第一，Basal peridotites 的岩石学属性表明，MU5-MU6岩性单元在俯冲交代事件之前就已存在成分不均一性，其向接触带方向变富fertile的成分梯度（从亏损方辉橄榄岩到二辉橄榄岩）是前构造期特征的继承，并非交代作用的产物。第二，矿物组合和结构演化建立了从高温软流圈变形到低温流体辅助变形的相对时间序列，角闪石结晶、次生矿物生长和含水矿物比例增加记录了持续的流体—岩石相互作用。第三，微量元素和硼同位素证据表明，交代介质以含水流体为主导：矿物普遍富集FME、亏损LREE和HFSE，U、Th含量极低；仅两个样品（TM22_16和NA22_05）记录了熔体渗透的局部影响。硼同位素在变质底辟（低δ¹¹B）与上覆橄榄岩（高δ¹¹B）之间的系统差异，支持脱水的俯冲板片作为流体源，并暗示多次流体幕式释放的瑞利分馏过程。第四，与Semail和Mont Albert蛇绿岩的对比显示，三个岩体在变形梯度、矿物成分演化、温度序列和流体渗透尺度上高度一致：流体影响范围均局限于接触带之上约100–200 m内，角闪石丰度和B浓度在这一距离内显著增高。第五，研究人员提出了四阶段构造演化模型：俯冲起始早期（~513 Ma前）含水流体释放驱动上覆地幔变形和交代（25–30 km深处）；随后高温变质底辟达到峰值埋深（1.2–1.4 GPa，800°C）并发生部分熔融，局部熔体渗透形成叠接橄榄岩；之后变质底辟与地幔楔底部发生剪切和抬升，在~1 GPa和850°C处与现今的橄榄岩底部并置；最终高温变质底辟在~488–484 Ma期间达到峰值温度（~900–950°C）并叠加在低温变质底辟之上。

研究结论表明：BOIC的Table Mountain和North Arm岩体basal peridotites 记录了从porphyroclastic peridotite到ultramylonite的结构演化序列，这一序列反映了在降低的温度（>1100°C至850°C）和增加的流体通量条件下、跨越约100–200 m距离的持续变形过程。地球化学特征（低U、Th、LREE亏损、FME富集、低HFSE）证实含水流体交代占主导地位，而熔体渗透仅在Table Mountain岩体一个叠接橄榄岩样品中留下记录。所提出的构造情景表明，高温变质底辟在近峰值埋深条件（~1.2–1.4 GPa）下与地幔叠接岩并置，随后在抬升过程中于~1 GPa处底辟至现今的橄榄岩底部之下。总体而言，该研究成果补充并推广了来自其它蛇绿岩的观察，证明basal peridotites 一致记录了地幔冷却过程中流体辅助交代作用驱动的变形—反应事件；叠接橄榄岩的出现是BOIC的独特特征，强调了板间机械耦合期间地幔与地壳的密切剪切以及局部流体—熔体—岩石相互作用。在新生俯冲界面处，地幔楔中的物质运移在约100–200 m距离内高效进行。