地球深部水循環(huán)的動力學機制與相關(guān)問題研究進展

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(蘭州大學地質(zhì)科學與礦產(chǎn)資源學院 ，甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點實驗室(蘭州大學)甘肅 蘭州 730000)

地幔轉(zhuǎn)換帶(mantle transition zone，MTZ)是介于上下地幔之間的區(qū)域，是指410km和660km不連續(xù)面之間的地幔部分。地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)部發(fā)生的地質(zhì)過程深刻地影響著與之相關(guān)的地質(zhì)事件，而地球深部的水循環(huán)在其中起到了重要作用，是解決許多重要地球科學問題的鑰匙(BIRCH,1952)。但是，由于缺乏直接來自于地幔轉(zhuǎn)換帶的樣品，對地幔轉(zhuǎn)換帶的研究主要使用的是一些交叉學科的研究手段，尤其以地球物理為主，由此產(chǎn)生的相關(guān)地球物理的數(shù)據(jù)又由于自生多解性的緣故，在詳細系統(tǒng)的說明有關(guān)地球深部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)過程的時候仍然存在較大的困難，由此必須藉由高溫高壓的實驗來證實和解釋(金振民，1997)。在各個類型的構(gòu)造背景之中包含有種類豐富的地殼與地幔之間的耦合作用，而其中的俯沖帶地區(qū)是二者相互作用最為強烈的區(qū)域之一(趙子福等，2015)。在俯沖帶，巖漿的來源主要有地幔楔物質(zhì)的熔融以及俯沖洋殼和深海沉積物(THORKELSON，1996)。此外，巖漿產(chǎn)生的一個重要來源包括向地幔進行俯沖的板塊在深度達到一定程度的時候而釋放的水的參與，這是一個不可忽視的機制，這會影響巖漿的形成。例如，地幔物質(zhì)的絕熱減壓的過程，地幔楔物質(zhì)熔融的程度大小以及地幔楔的水通量都在其形成過程中起到了重要的作用(HELFFRICH et al.,2001)。因此，可以通過觀測一些數(shù)據(jù)來解釋目前難以觀察到的地方，而廣泛分布在地表的大陸溢流玄武巖(continental flood basalt，CFB)便是其中很好的一個例子。大陸溢流玄武巖對于殼幔循環(huán)的動力學機制研究意義重大。通過對全球范圍內(nèi)的大陸溢流玄武巖的地球化學特征的分析，結(jié)合其與構(gòu)造環(huán)境的相關(guān)關(guān)系，便可以推知其源區(qū)的一些性質(zhì)，借此便能夠初探地球深部水循環(huán)的部分性質(zhì)。目前提出的地幔轉(zhuǎn)換帶水過濾器模型(WANG et al.,2016)對于地幔不均一性的問題給出了一個很好的解釋，地幔轉(zhuǎn)換帶的富水程度遠高于上、下地幔，由俯沖過程帶入的殘余板片下沉進入地幔轉(zhuǎn)換帶，殘余板片在地幔轉(zhuǎn)換帶發(fā)生相變并伴隨脫水作用，釋放出來的水導(dǎo)致部分熔融的發(fā)生，之后引發(fā)相應(yīng)的含水流體的上涌，交代上覆巖石圈地幔，使得巖漿作用產(chǎn)生的大陸溢流玄武巖具有類似島弧玄武巖的地球化學特征。而傳統(tǒng)的玄武巖構(gòu)造判別圖在區(qū)分這2類玄武巖時判別精度不夠高(王金榮等，2017；楊婧等，2016)。可以通過進一步的敏感的元素進行劃分(XIA et al.,2014)，所以需謹慎地使用構(gòu)造判別圖。筆者在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新的研究進展，對地球深部水循環(huán)的一些理論進行對比總結(jié)，旨在更好地理解巖漿成因機理與構(gòu)造動力學過程之關(guān)系。

1 深部地球水循環(huán)研究歷史及趨向

1.1 研究歷史回顧

深部地球水循環(huán)的研究始于20世紀50至60年代(MARTIN et al.,1972)。伴隨著高溫高壓實驗技術(shù)的興起以及測試分析水平的提高，地幔轉(zhuǎn)換帶的深度環(huán)境條件已經(jīng)能夠成功的在實驗環(huán)境中模擬實現(xiàn)，這使得我們對于在地幔轉(zhuǎn)換帶之中的礦物巖石學研究、礦物物理學研究、熱動力學狀態(tài)以及流變學諸多方面的研究有了長足的發(fā)展。然而要想掌握地球深部成分和結(jié)構(gòu)的情況，目前的手段是采取對比地球深部物理特征，結(jié)合特殊的礦物組合的性質(zhì)，由此對地球深部的物理化學性質(zhì)進行評價和估計，我們需要認可并且采用一種符合實際情況的地幔成分模型，而對于地幔轉(zhuǎn)換帶物質(zhì)組成的分析必須建立在現(xiàn)有的地幔巖石學模型的基礎(chǔ)上進行操作。目前有2個上地幔物質(zhì)組成的相關(guān)模型，主要是pyrolite(地幔巖)模型(RINGWOOD,1962;RINGWOOD,1966;RINGWOOD,1975;RINGWOOD,1979;SUN,1982) 和piclogite(苦橄質(zhì)榴輝巖)模型(ANDERSON et al.,1984; BASS et al.,1984; DUFFY,et al.,1989)。其中，前者更為廣大學者所接受。

由RINGWOOD首先明確指出的“pyrolite”模型，指的是地幔含有60%的橄欖石成分、30%的輝石成分以及數(shù)量較少的含鋁相礦物組成，其中含鋁相礦物根據(jù)壓力的大小情況可劃分為石榴子石、尖晶石或者斜長石(RINGWOOD,1991)。這種模型對于許多地球物理的相關(guān)現(xiàn)象都能夠很好的進行解釋，然而該模型中存在的最大問題就是其中的橄欖石成分在深度為410km時引起的密度和波速的突然改變都與地震波的實際測量值不同，并且要高于實際測量值(SHEARER et al.,1999;CAMMARANO et al.,2005)，這是唯一存在于該模型的一個無法解釋的問題。

地幔的另一種礦物組成模型是由ANDERSON et al(1984)提出的“piclogite”模型。在這個模型中，橄欖石在地幔之中的含量下降至40%～50%，而輝石和石榴子石含量卻一一上升,然而piclogite模型一直缺乏直接的高溫高壓實驗數(shù)據(jù)的支持。在后來的關(guān)于地震的波速及密度研究中的結(jié)果表明，實際測得的地球物理結(jié)果更加傾向于pyrolite模型。經(jīng)理論計算，2種模型的礦物組成隨著深度的變化而變化，pyrolite模型在實驗中受到廣泛應(yīng)用，加深了我們對于地幔的認識水平。

想要清楚地了解和掌握地球深部的物質(zhì)狀況就必須借助科學的實驗，這就要求我們結(jié)合各類相關(guān)學科的知識，尤其著重于材料領(lǐng)域的科學、傳統(tǒng)的物理學化學手段以及新興的計算機科學來實現(xiàn)綜合性水平的提升?，F(xiàn)在高溫高壓實驗的技術(shù)已經(jīng)取得了長足的突破，尤其是激光加熱金剛石壓砧(LHDAC)和大體積壓機(LVP)這2種技術(shù)手段對于高溫高壓實驗有著至關(guān)重要的意義，在此基礎(chǔ)上再結(jié)合同步輻射技術(shù)(synchrotron radiation)，就可以使得研究人員在高溫高壓的條件下進行原位(in situ)定量地對地球深部物質(zhì)的相變情況和相關(guān)礦物的物理性質(zhì)進行探究(OHTANI et al.,2008)。

需要指出的是，對于地球深部的研究，關(guān)于地球深部賦存礦物的相變情況和結(jié)構(gòu)的研究是不可忽視的一個方面，因為地幔轉(zhuǎn)換帶中的地幔物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)受控于相關(guān)礦物的相變狀態(tài)，而這也對探究相關(guān)地幔流體的交代作用等一系列地球動力學過程具有指導(dǎo)作用。位于地幔410～660km深度范圍的地幔轉(zhuǎn)換帶(MTZ)，處于該區(qū)域內(nèi)的橄欖石會經(jīng)歷連續(xù)的礦物相轉(zhuǎn)變過程位于410km鄰近區(qū)域的橄欖石就會轉(zhuǎn)變?yōu)橥咂澙?wadsleyite)，這是對橄欖石而言的高壓礦物相，也是410～520km深度主要的礦物相，常稱為β相橄欖石；接下來在520km的區(qū)域內(nèi)發(fā)生相的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)榱治榈率?ringwoodite)，學術(shù)界認為這是520～660km區(qū)域內(nèi)的主要礦物相，稱為γ相橄欖石；最后在660km附近分解為鈣鈦礦(perovskite)以及鎂方鐵石(magnesiowustite)，為下地幔的主要礦物相。

地球深部動力學研究離不開對其中水的研究，因為水可以降低地幔熔融溫度，通過流體傳輸元素，加強擴散作用，并且可能改變相轉(zhuǎn)變邊界的位置(WOOD,1995)。

水對地球深部過程具有重要影響，如礦物的相轉(zhuǎn)變(SMYTH et al.,2002)，地震波的性質(zhì)(INOUE et al.,1998) 等，同時也是地球深部發(fā)生流體交代作用的主體。在地球淺部，水主要賦存于俯沖板塊的各種含水礦物中，以及俯沖洋殼帶來的沉積物中，并且通過俯沖從而進入地球深部位置，在俯沖深度不斷增加的過程中，這之中裹攜的大量含水礦物狀態(tài)逐漸不穩(wěn)定從而引發(fā)脫水作用，這個過程中賦存的水的主要形式是名義上無水礦物(Nominal Anhydrous Minerals，NAMs)，包括一部分致密的水鎂硅酸鹽之內(nèi)(BELL et al.,1992)。名義上無水礦物通常表述為在化學式中未見到H元素，但是實際中卻可以在晶格中觀察到一定數(shù)目的H元素的一類礦物。KUBO et al.(1998)觀察到水可以加強橄欖石α-β相的轉(zhuǎn)變，同時水可以改變瓦茲利石的流變學性質(zhì)，使其攜帶0.02%的水含量。

地幔轉(zhuǎn)換帶中的主要礦物，瓦茲利石和林伍德石都是名義上無水礦物，地幔轉(zhuǎn)換帶中的的含水數(shù)量都取決于這些名義上無水礦物。研究表明，地幔轉(zhuǎn)換帶中潛在的含水量較之地表含量很高(IONUE et al.,1995)。

借助于地幔中主要儲水礦物的含量，可以大致估算出包括地幔轉(zhuǎn)換帶在內(nèi)的地幔各個圈層的儲水能力。表1表示地幔中各圈層的儲水能力，通過其中礦物的含水能力以及礦物的比例計算得出，礦物的比例依照RINGWOOD提出的地幔巖模型中的各個礦物的比例。

表1 地幔各圈層的儲水能力(ANDERSON,2007)Tab.1 Water storage capacity of each mantle layer (ANDERSON,2007)

1.2 存在的爭議

目前關(guān)于地球深部水循環(huán)存在許多爭議(GREEN et al.,2008) 。其中之一就是地幔轉(zhuǎn)換帶有無水的參與，也就是轉(zhuǎn)換帶的“干”“濕”之爭，盡管實驗結(jié)果顯示名義上無水礦物都含有一定能力的儲水本領(lǐng)，但并不代表轉(zhuǎn)換帶中就一定儲存著大量的水，而且根據(jù)不同的模型的計算，具體含水多少等問題目前還存在很大爭議(OHTANI, 2005) 。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)地幔中名義上無水礦物可以含有高達3%的水(KOHLSTEDT et al.,1996)。而且如果礦物含水的話，其物理性質(zhì)與不含水時將會有很大的差異(HIRSCHMANN,2006)。實驗也證明，地幔轉(zhuǎn)換帶中存在的林伍德石可以含有相當多的水。OHTANI et al.(2001) 發(fā)現(xiàn)林伍德石的含水量與溫度的變化呈現(xiàn)負相關(guān)性，伴著溫度的升高而呈現(xiàn)降低的趨勢，原因在于相邊界與林伍德石的含水量有密切的關(guān)系，水參與后的影響與溫度的影響正好相反，尤其是溫度較低時水影響的程度更甚，這是因為水的傳輸能力與板片的熱狀態(tài)有關(guān)。例如，熱的年輕的板片只能將很少水帶入地幔深部，然而冷的板片在臨界條件(600℃，6 GPa)則能夠攜帶大量水進入深部地幔(KUBO et al.,1998)。660 km地震波速的大幅下降也被認為是轉(zhuǎn)換帶中水存在的證據(jù)之一(LITASOV et al.,2005)。

盡管實驗的結(jié)果說明了地幔轉(zhuǎn)換帶含水的事實是存在的，不過不同實驗得出的具體含水數(shù)目則存在較大差異。HUANG 等(2005)認為，地幔轉(zhuǎn)換帶中含水，但是含水量在不同的地區(qū)存在很大的差異，而且通過全球地幔轉(zhuǎn)換帶電導(dǎo)率的研究表明，其在全球的分布存在著不均一性，而且通過和大地電磁測量實驗的結(jié)果相互比較得出的結(jié)論是，在無水條件下橄欖石的電導(dǎo)率與地球物理測量結(jié)果存在很好的相關(guān)性，由此可以推導(dǎo)得出，水分布的不均一性是全球范圍內(nèi)地幔轉(zhuǎn)換帶的一個普遍現(xiàn)象，尤其在一些構(gòu)造背景下，如筆者討論的俯沖帶環(huán)境，地幔轉(zhuǎn)換帶是富含一定量的水的，但是在有些地區(qū)則呈現(xiàn)出無水的情形，這就使得地幔轉(zhuǎn)換帶是否含水成為一個學術(shù)界研究討論的熱點問題。

盡管賦存于地幔轉(zhuǎn)換帶中的某些礦物存在含有一定數(shù)量水的可能性，但是直接證據(jù)的缺乏，即目前尚未直接觀察到來自地幔轉(zhuǎn)換帶的樣品來證明其中是否含水。地幔轉(zhuǎn)換帶能否將如此多的水穩(wěn)定地保存其中仍然值得商榷，換句話說，高的儲水能力并不代表著實際的高含水量。

1.3 地球深部水循環(huán)研究新進展

隨著板塊構(gòu)造理論逐漸被學術(shù)界廣泛地接受，在20世紀80年代，伴隨著玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別方法的發(fā)展，使得玄武巖在地球動力學、大地構(gòu)造背景研究中所體現(xiàn)出的影響和作用愈來愈大(王金榮等，2017)。20世紀90年代所使用判別圖由于時間久遠、研究區(qū)域普遍較小、研究思路以及研究手段的匱乏以及分析技術(shù)的瓶頸所限，從發(fā)展的角度來看，不足之處難以避免，許多不同類型的玄武巖在判別圖上因為重疊區(qū)域太大而難以區(qū)分(LI et al.,2015)。WANG 等(2015,2016)在基于全球6個大火成巖省大陸溢流玄武巖以及與裂谷作用有關(guān)的美國盆地-山脈省的玄武巖數(shù)據(jù)進一步驗證了玄武巖構(gòu)造判別圖的置信度，認為利用主要主量元素、微量元素及其原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖等綜合的判別體系是能夠區(qū)別類島弧地球化學特征的大陸溢流玄武巖與島弧玄武巖的，并且提出了一個新的地幔轉(zhuǎn)換帶水過濾器模型(WANG et al.,2015)，進一步指出地球深部流體(主要是水)再循環(huán)是大陸溢流玄武巖富集流體活動性元素的重要機制，由此可見地球深部水循環(huán)所起到的重要作用。

該模型提出，來自地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)殘余板片熔融產(chǎn)生的含水流體的上涌組分是構(gòu)成大陸溢流玄武巖的主要來源。俯沖板塊產(chǎn)生的流體在形成弧巖漿和新地殼的過程中占有十分重要的地位，殘余板片物質(zhì)繼續(xù)向深部俯沖，因此對深部地幔的地球化學組成產(chǎn)生了一系列的影響，在板內(nèi)玄武巖巖漿中可能伴隨有部分古老板塊的參與(國坤等，2016)。而在地表占絕大多數(shù)的大陸溢流玄武巖往往顯示出類似島弧玄武巖的地球化學特征，其原因也可以通過地球深部水循環(huán)得到很好地解釋，并且從根本上將其與真正的島弧玄武巖區(qū)分開來(WANG et al.,2015;WANG et al.,2016)，而傳統(tǒng)意義上的構(gòu)造判別圖在區(qū)分兩者時得到的結(jié)果往往不很理想，所以重新理解大陸溢流玄武巖的起源就顯得尤為重要。因為判別玄武巖的構(gòu)造環(huán)境對于接下來的工作開展尤為關(guān)鍵，如果能夠基于一個正確且合理的結(jié)論，與之相關(guān)的工作也會進行的更加科學和系統(tǒng)。

玄武巖的地球化學特征取決于其源區(qū)的組成，熔融的條件(溫度、壓力以及有無含水相)以及之后發(fā)生的部分熔融和AFC作用等(DUNCAN,1987)。往往只有這些地質(zhì)過程對于某個特殊的構(gòu)造環(huán)境顯示出獨特的鑒定特征時，這些玄武巖的組成才能作為構(gòu)造環(huán)境的指示器(XIA, 2014)。因此，這些弧形特征是如何產(chǎn)生的就成為了區(qū)分弧型和在俯沖環(huán)境下產(chǎn)生的真正的島弧玄武巖的關(guān)鍵。

1.4 與地球深部水循環(huán)有關(guān)的CFB的起源

目前一致的看法是CFB的類似島弧玄武巖地球化學特征都可以用直接或間接地來自從俯沖板片中釋放出來的水(包括其他流體相)來解釋(IVANOV et al., 2013)。地球化學和巖石學都說明了類似島弧玄武巖的大陸玄武巖的地球化學特征和富集的放射性同位素特征都來自于交代過的、長期遠離地幔對流的地幔源區(qū)(MERLE et al.,2014)。但是，俯沖板塊產(chǎn)生的流體是如何影響和控制這些類似島弧玄武巖特征仍是一個未解決的問題。

有的學者認為部分熔融過程發(fā)生于無水的大陸巖石圈地幔(SCLM)橄欖巖固相線條件下，顯然干的SCLM不可能是CFB的源區(qū)，因此地幔轉(zhuǎn)換帶中的含水能力能夠解釋這個問題，這也與GALLAGHER(GALLAGHER et al.,1992)等人的觀點相一致。如果巖石圈地幔含有足夠多的水(0.3%H2O),橄欖巖固相線可以降低500℃，在該條件下，巖石圈地幔的部分熔融就可以作為CFB的主要源區(qū)。

FUKAO et al.(2009)結(jié)合數(shù)學建模與地球物理的研究說明俯沖過程產(chǎn)生的大量水可以到達地幔轉(zhuǎn)換帶。因此，類似島弧玄武巖地球化學特征或許與地幔轉(zhuǎn)換帶的深部地球流體循環(huán)有關(guān)(IVANOV et al.,2008)。

對于大陸溢流玄武巖來說，這種大規(guī)模噴發(fā)的玄武巖需要一個足夠大的且連續(xù)的含水富集源區(qū)，并且需要一個相當長的穩(wěn)定時間來建立同位素異常儲庫。因此，首先可排除SCLM作為CFB源區(qū)的可能性。如果需要一個更深的地幔來源作為CFB的物質(zhì)來源和噴發(fā)基礎(chǔ)，那么這種來源毫無疑問應(yīng)該是地幔轉(zhuǎn)換帶。最近觀察到的10 μm林伍德石的顆粒提供了地幔轉(zhuǎn)換帶含水本質(zhì)的第一手證據(jù)(PEARSON et al., 2014) 。

在深部水循環(huán)模型中，當俯沖進入地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)的殘余板塊由于重力原因繼續(xù)下沉時，發(fā)生了礦物相轉(zhuǎn)變，因此使得密度發(fā)生了變化，由于浮力的原因，便會產(chǎn)生含水流體的上涌，上涌的流體交代上覆地幔橄欖巖，由于不相容元素主要存在于角閃石等礦物中，當含水流體上升交代地幔橄欖巖時，礦物在流體中的溶解率受陽離子從晶體中擴散速率的影響，如金紅石這樣的富Ti氧化物，具有高電荷的陽離子，溶解速率低于硅酸鹽礦物，高度交代的地幔巖石中含有大量的金紅石，它們將導(dǎo)致LREE，LILE優(yōu)先于HFSE而進入流體中，這一過程有實驗結(jié)果所支持(MUNKER, 1998)。除了礦物相本身的影響，LREE、LILE、HFSE在流體中的溶解度還存在差異，流體活動性元素容易在流體中遷移，而HFSE不易溶解，因此交代地幔部分熔融產(chǎn)物具有高的LILE/HFSE值。LREE富集的原因是因為部分熔融程度低，也可能源于源區(qū)的富集，此外，當洋殼快速俯沖至地幔發(fā)生板片斷裂，下部的富集地幔通過裂隙上涌發(fā)生減壓熔融，也能夠形成不相容元素和LREE的富集。

長石、輝石、橄欖石等主要造巖礦物中含有的H2O和Ce都是不相容元素，并且其不相容性非常相似，而且H2O/Ce值在部分熔融和結(jié)晶分異兩種過程中都不具有明顯的分異現(xiàn)象，所以巖漿的H2O/Ce值在排除了脫氣作用的影響后就代表了源區(qū)的H2O/Ce值(夏群科等,2015)。因此，巖漿的水含量和H2O/Ce值可以用來指示源區(qū)的組成(THY et al.,2006)。因為水的行為表現(xiàn)的像高度不相容元素，如Ce和K2O。在地-幔熔融過程中，H2O/Ce值可以作為水流體在熔融中的貢獻的指標(HAURI et al.,2006)。DIXON 等(2002)基于全球島弧玄武巖數(shù)據(jù)，結(jié)合RUSCITTO 等(2012)的研究，認為流體活動性元素與非流體活動性元素(La，Nb)的比值與H2O/Ce高度相關(guān)。這就意味著流體活動性元素的富集可以用來限定初始的H2O/Ce值。地殼中的脫氣作用導(dǎo)致H2O的損失，但對REE沒有影響，因此會降低H2O/Ce值(PLANK et al.,2013)。具有較低的H2O/Ce的玄武巖源區(qū)可能有發(fā)生過強烈脫水作用的洋殼玄武巖的參與，而顯示出高的H2O/Ce值的玄武巖源區(qū)由2部分組成，既有俯沖洋殼的玄武巖的參與，同時還包括沉積物組分(夏群科等,2015)。在類似島弧玄武巖的陸內(nèi)玄武巖和島弧玄武巖中流體活動性元素的富集和HFSE的虧損的相似性都說明了深部地球水循環(huán)在形成地球大火成巖省中的重要作用。

1.5 地球深部水循環(huán)模式

一個新的模型建立的意義是因為它具有很好的解釋預(yù)測和指導(dǎo)作用，可以用來解釋許多地球動力學過程。傳統(tǒng)的地幔柱理論及其模式得到廣泛承認的原因正是因為它們很好地解釋了大洋板內(nèi)玄武巖的相關(guān)問題。在21世紀初期，在地幔柱模式的指導(dǎo)下，全世界范圍內(nèi)取得了一系列卓越的研究成果(CIVIERO et al.,2015)。然而目前這些傳統(tǒng)理論及模式并未像人們所希望的那樣在陸內(nèi)造山帶地區(qū)產(chǎn)生重大影響，這嚴重地撼動了地幔柱模式在地球動力學研究中的地位(FROMM et al.,2015)。于是以WANG 等(2015)為代表的一批學者，通過對世界范圍內(nèi)多個地區(qū)的CFB進行的觀察和研究，提出了以地球深部水循環(huán)為指導(dǎo)的地球深部水過濾器模型。該模型將地球深部水循環(huán)、殘余板片、含水流體地幔上涌、大規(guī)模板內(nèi)巖漿作用和超大陸的拼合與裂解結(jié)合在了一起(圖1)。由圖1可知，當俯沖板片進入地球深部的地幔轉(zhuǎn)換帶，許多殘余板片滯留在地幔轉(zhuǎn)換帶之中，在此階段地幔對流呈現(xiàn)分層性，滯留在地幔轉(zhuǎn)換帶的殘余板片最終俯沖進入下地幔，有一部分發(fā)生礦物相轉(zhuǎn)變回到上地幔，在下地幔頂部發(fā)生部分熔融，導(dǎo)致殘余板片釋放出流體和熔體成分，這會導(dǎo)致大規(guī)模的含水流體上涌，并且在地幔轉(zhuǎn)換帶引發(fā)交代作用。從俯沖板塊回到上覆地殼和軟流圈中的元素是地球上各個位置的元素物質(zhì)再循環(huán)的重要過程之一(國坤等，2016)。聚集在下地幔頂部的地幔柱物質(zhì)也會加強地球表面以及地幔轉(zhuǎn)換帶之間水的循環(huán)，并且會促進含水流體的上涌。

圖1 地幔轉(zhuǎn)換帶水過濾器模型圖(據(jù)WANG，2015)Fig.1 Mantle transition zone water-filting model(After WANG, 2015)

與地幔柱模式不同，地幔轉(zhuǎn)換帶水過濾器模型將地球深部水流體循環(huán)、大規(guī)模陸內(nèi)巖漿作用和超大陸拼合與裂解組成了一個體系。這個模型說明了超大陸的聚合潛在地導(dǎo)致了含水大洋板片在地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)的積累，并且可能改變了地幔對流的模式(FUKAO et al.,2015)。

Pangea古陸和Rodinia超大陸的重建模型支持了這一模型，它們的周圍圍繞著環(huán)超級大陸俯沖帶(LI et al., 2009)。這些特征也適用于其他超級大陸，并且有重要的地球動力學啟示(LI et al.,2008)。地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)的板片的黏度和礦物相轉(zhuǎn)變是決定滯留板片命運的關(guān)鍵因素(NAKAKUKI et al.,2010)。緩慢的輝石-石榴子石的相轉(zhuǎn)變說明滯留板片在地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)存留超過了100 Ma(LI et al.,2008)，大量的基于板片黏度的熱動力學模型同樣說明滯留板片的存在周期為100～130 Ma(LI et al, 2009)。這也與Pangea古陸和Rodinia超大陸的最終拼合與初始裂解之間的140～150 Ma的時間相一致(LI et al.,2008)。這種相似性可能對板片崩塌和超大陸的裂解的聯(lián)系有所啟示。地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)相對穩(wěn)定的板片最終會俯沖進入下地幔。這會產(chǎn)生大規(guī)模的含水流體上涌并交代上覆大陸巖石圈，由于重力不穩(wěn)定以及礦物相轉(zhuǎn)變的原因，導(dǎo)致大陸巖石圈最下部的不穩(wěn)定(WINDLEY et al.,2010)。更重要的是，含水的玄武質(zhì)流體會匯聚在巖石圈和軟流圈的邊界(LAB)，為加速板塊移動提供一個潤滑的作用(SAKAKMAKI et al.,2013)。殘余板片崩塌導(dǎo)致的上涌流體以及含水玄武質(zhì)熔體的活動性將會促進超級大陸的裂解。超級大陸裂解相應(yīng)的也可能會促進殘余板片的崩塌。由于含水玄武質(zhì)熔體的物理性質(zhì)偏向于集中在LAB，所以對于理解與克拉通破壞有關(guān)的玄武質(zhì)巖石成因十分關(guān)鍵。例如，中國華北克拉通地區(qū)。因此，地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)部的殘余板片崩塌導(dǎo)致的上涌含水流體在超大陸的裂解與在地球表面和地幔轉(zhuǎn)換帶之間的水循環(huán)過程中起到了關(guān)鍵作用。如此大規(guī)模的含水流體上涌引發(fā)并控制了大規(guī)模的陸內(nèi)巖漿作用。

這里再次強調(diào)起源于核幔邊界的地幔柱并不是產(chǎn)生類似島弧玄武巖CFB的重要條件，但是地幔柱的存在必然將會加強深部流體循環(huán)。WANG 等(2015)認為地幔柱和超級地幔柱產(chǎn)生的物質(zhì)加速了礦物相轉(zhuǎn)變，并且隨后加強了地球深部的流體循環(huán)。新的模型認為板片的崩塌導(dǎo)致了上涌的流體可能會引發(fā)最初的大陸裂解。這與Pangea古陸最初裂解產(chǎn)生的顯著的類似島弧玄武巖的大陸玄武巖相一致。

2 相關(guān)的大陸溢流玄武巖實例

2.1 CFB的鑒定特征

隨著地球科學的發(fā)展，地質(zhì)學家對于大陸溢流玄武巖和島弧玄武巖的研究取得了一系列進展，但與此同時也產(chǎn)生了許多問題。由于來自地球的深部流體對于大陸地殼或巖石圈的混染作用可以給出似消減帶的信號，從而會使得人們將大陸玄武巖誤判為島弧玄武巖 (夏林圻等，2007)。因為大陸溢流玄武巖往往顯示出類似島弧玄武巖的地球化學特征(Arc-like signature)，所以如何將大陸玄武巖與島弧玄武巖區(qū)分開來，就成為了大陸火山巖研究中一個十分重要的課題(ERNST et al.,2005；XIA,2014)。

大陸溢流玄武巖(CFB)也稱為板內(nèi)玄武巖，大多集中于裂谷帶上，保存于被動大陸邊緣，部分與板內(nèi)深大斷裂有關(guān)，廣泛的分布于大陸之上，是一類研究詳細的玄武巖類，巨大規(guī)模的大陸溢流玄武巖被稱為大火成巖省(王金榮等，2016)。前人的研究表明，大陸溢流玄武巖通常具有平坦的REE分配形式，并以缺乏Nb，Ta和Ti的負異常為特征，沒有受到混染的大陸溢流玄武巖通常是以(Th/Nb)n<1,Nb/La>>1,低87Sr/86Sr值(0.703 4～0.706 4)，高εNd(t)值為特征(HAWKESWORTH et al.,1995)。而受到混染的大陸溢流玄武巖則具有較低的Nb/La(<1.0),較高的87Sr/86Sr值(0.704 3～0.713 7)，較低的εNd(t)值，并且Nb，Ta和Ti負異常程度顯著高于俯沖帶的玄武巖。板片來源的流體/熔體會導(dǎo)致低的Nb/La值，巖石圈的混染也會使Nb/La值降低，但是會產(chǎn)生負的εNd(t)值，從而造成類似島弧玄武巖的地球化學特征(XIA,2014)。

CFB通常分為高Ti和低Ti兩類，這反映了地幔源區(qū)的不均一性(SAUNDERS et al.,1992)，這也與之前提到的地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)部水的分布相對應(yīng)。在不相容元素中，Pb富集特征差異最大，Pb鑒于是一種俯沖遷移元素，俯沖組分中的Pb可能會掩蓋地幔中Pb的組分。Pb如果有明顯的正異常，那么CFB可能反映出板塊俯沖作用有陸源物質(zhì)的加入，而且富集地幔的不同還表現(xiàn)在Pb的異常方面，這也是地幔不均一性的表現(xiàn)(WEAVER, 1991)。Hf是一種非俯沖遷移元素，對揭示俯沖帶巖漿初始物源具有重要作用(JORDAN et al.,2007)。

CFB擁有較寬的ε(Nd)和ε(Sr)，表明具有不同的Sm/Nd、Rb/Sr 值長期存在的獨立源區(qū)，這也從側(cè)面說明了對于CFB這種大規(guī)模噴發(fā)的玄武巖需要一個相當長的并且獨立穩(wěn)定的時間來建立同位素異常儲庫(PUFFER,2001)。

2.2 研究實例

根據(jù)PANG 等(2016)在內(nèi)蒙古的本巴圖組玄武巖的研究結(jié)果顯示，該地區(qū)玄武巖具有類似弧型島弧玄武巖的地球化學特征，具有較低的Sr87/Sr86初始值(0.704 2～0.704 8)，εNd(t)(+8.99～+9.24)以及εHf(t)(+15.38～+15.65)，在蛛網(wǎng)圖上富集Rb，U，Pb，Zr和Hf；虧損Nb，Ta，Ti和Sr，顯示出富集LILE,LREE，虧損HFSE的趨勢，并且具有平緩的REE配分形式圖，但是其中的Zr與Hf元素的富集以及Sr的虧損與典型的島弧玄武巖區(qū)分了開來。筆者認為造成該地區(qū)玄武巖具有類似島弧玄武巖地球化學特征的原因可能是地幔源區(qū)發(fā)生的交代作用導(dǎo)致的，而這一作用則發(fā)生在地幔轉(zhuǎn)換帶之中，通過俯沖作用進入的板片釋放出的含水流體引起的。

在實際研究工作中，如果不結(jié)合實際的地質(zhì)情況和地球化學特征加以認真詳細地分析判斷，只是通過某些使用頻率較高卻又最容易與島弧玄武巖混淆的元素數(shù)值特征和地球化學圖解，或者利用構(gòu)造環(huán)境判別圖解，就會將表現(xiàn)出島弧型信號的大陸溢流玄武巖誤判為島弧玄武巖(夏林圻等，2007)。所以當利用玄武巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解來鑒別有弧型特征的CFB時，必須謹慎地使用相關(guān)圖解，尤其是在面對被卷入造山帶中形成的環(huán)境未知的古老火山系時。在這種情況下，夏林圻等(2007)認為應(yīng)使用Zr-Zr/Y圖解，因為大陸玄武巖具有高的Zr(>70×10-6)，Zr/Y(>3.4)，這與是否被混染無關(guān)，因此這些具有弧型特征的CFB仍然會落在板內(nèi)玄武巖(WPB)之內(nèi)，這是因為Zr和Y在玄武巖巖漿上升時未受到影響的緣故，它們?nèi)詫⒈３制湓紳舛?TURNER et al.,2003)。但是，如果使用與Nb、Ta、Ti有關(guān)的判別圖時，由于地殼巖石中含有較低的TiO2含量和Nb、Ta含量，將會落入島弧玄武巖(IAB)，因為類似島弧玄武巖的CFB與IAB的多元素原始地幔標準化分配型式近似程度高，在判斷時比較困難(KEPPLER,1996)。

典型的島弧玄武巖(IAB)與大陸溢流玄武巖相比，總體上是以具有較低的Zr含量(<130×10-6)和Zr/Y值(<3.3)為特征；而大陸溢流玄武巖不論是否有弧型特征，它們都具有較高的Zr含量(>70×10-6)和Zr/Y值(>3.4)(PEARCE et al.,1979)。

3 結(jié)論

(1)地球深部研究是地學研究中的前沿學科，因此對于地球深部水循環(huán)的研究對地球內(nèi)部的許多動力學過程都具有重要意義。近幾十年來，地球深部水循環(huán)過程的研究成為地球科學研究的熱點。但是依然存在許多未解決的問題(地幔轉(zhuǎn)換帶中水的實際含量等)。

(2)對地幔轉(zhuǎn)換帶結(jié)構(gòu)的研究是清楚了解地球深部水循環(huán)的重要前提，因此有必要在中國發(fā)展高溫高壓實驗技術(shù)，深入探索地球深部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，探討地球深部水循環(huán)與地球動力學之內(nèi)在的聯(lián)系。

(3)大陸溢流玄武巖(CFB)的成因比較復(fù)雜，有可能與地球深部的水循環(huán)有關(guān)，而CFB常因具有類似島弧玄武巖特征常被誤判為島弧玄武巖，所以正確理解CFB的起源對于正確區(qū)分二者具有重要的意義。

(4)以地幔對流為基礎(chǔ)的地幔柱模式常用于解釋與大洋玄武巖有關(guān)的地質(zhì)過程，而以地球深部水循環(huán)為基礎(chǔ)的地幔轉(zhuǎn)換帶水過濾器模型則為復(fù)雜的超大陸旋回、深部流體循環(huán)、陸內(nèi)巖漿作用共存模式。地球深部水循環(huán)模型尚在探索階段，這2種模式不會區(qū)分絕對的對錯，只是在不同的情況下適用性不同。

(5)傳統(tǒng)的玄武巖構(gòu)造判別圖在區(qū)分2類玄武巖(CFB、IAB)時判別精度不夠高，可以通過進一步的敏感的元素進行劃分，所以需謹慎地使用構(gòu)造判別圖。

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