俯冲带是壳幔相互作用的重要场所。在大洋岛弧弧前地区，俯冲的洋壳和沉积物等将持续释放流体到上覆地幔，这将降低弧前地幔的固相线温度，导致其经历极高程度的部分熔融过程而形成具有超难熔特征的地幔橄榄岩（主要为方辉橄榄岩）。由于超难熔地幔橄榄岩缺乏原生的单斜辉石矿物，而单斜辉石又是上地幔尖晶石相地幔橄榄岩中微量元素的主要载体，因而对超难熔弧前地幔的演化历史研究存在困难，其经历的部分熔融和熔岩反应过程仍不清楚。此外，尽管超难熔方辉橄榄岩构成了弧前地幔的主体，但在弧前地区仍然存在少量成分相对饱满的二辉橄榄岩，这些二辉橄榄岩的岩石成因和地幔源区特征还存在争议。
图1 新喀里多尼亚地质图及采样点；斜方辉石的微量元素特征；辉石岩和纯橄岩中辉石的平衡熔体成分
针对上述科学问题，海洋试点国家实验室深海研究中心、海洋地质过程与环境功能实验室的许阳博士、石学法研究员与中国科学院地质与地球物理研究所刘传周研究员等合作，对位于西南太平洋的新喀里多尼亚蛇绿岩的地幔岩石进行了系统的矿物学、岩石学和地球化学成分研究（图1）。新喀里多尼亚蛇绿岩被认为是全球范围内最典型的弧前蛇绿岩之一，其代表通过构造活动就位于陆地上的古大洋岩石圈残片。研究人员对缺乏原生单鞋辉石的方辉橄榄岩样品的斜方辉石矿物进行了原位的主、微量成分分析以及成分模拟计算，并测试了纯橄岩和辉石岩岩脉的主量元素、微量元素和Sr-Nd-Hf-Os同位素成分。研究结果表明新喀里多尼亚方辉橄榄岩经历了约25%的高程度部分熔融过程，并且与不同类型的交代介质发生了多阶段的熔岩反应过程。
和方辉橄榄岩相比，二辉橄榄岩则具有与饱满的深海橄榄岩类似的成分特征，其经历了低程度的部分熔融与交代过程。二辉橄榄岩的初始176Hf/177Hf比值与代表其熔融程度的指标（如橄榄石Fo值、全岩Mg#值、单斜辉石Yb含量等）以及初始全岩187Os/188Os比值均表现出了较好的相关性（图2）。部分二辉橄榄岩样品具有相对古老的Hf-Os同位素成分特征，这表明古老的地幔域不均匀的分布在软流圈地幔中，俯冲起始过程中软流圈地幔的上涌可能导致这些含有古老熔融信息的地幔增生到弧前地区（图3）。
图2 新喀里多尼亚二辉橄榄岩Hf同位素成分特征
图3 弧前地区古老地幔起源的卡通模式图
系列研究成果的科学意义在于：
（1）为研究超难熔地幔橄榄岩的演化历史提供了新的思路。对于超难熔地幔橄榄岩，一方面在缺乏单斜辉石的方辉橄榄岩中斜方辉石在微量元素的分配中会起到关键作用；另一方面地幔橄榄岩中常常包含有不同类型的岩脉，这些脉体能够为我们限制参加熔岩反应的熔体的成分提供重要信息。
（2）为弧前地区带有古老亏损信号的地幔橄榄岩的成因提供了一个新的解释。弧前地区的古老地幔既可能是由于俯冲带构造活动而卷入的老的岩石圈地幔，也有可能来源于含有古老地幔域的不均一的软流圈地幔。
相关研究成果发表于国际知名地学期刊Lithos（岩石）和Geoscience Frontiers（地学前沿）上，受国家自然科学基金、海洋试点国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室开放基金和中国博士后面上基金等项目资助。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002449372030517X?via%3Dihub
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674987121001237?via%3Dihub
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