地質地球所研究發現俯沖洋殼的折返機制

　　洋殼的成分主要為MORB，它俯沖到深部地幔會轉變為藍片巖和榴輝巖。大量的高溫高壓實驗研究表明，洋殼榴輝巖的密度大于周圍地幔，因而它很難通過自身浮力而折返到地表。然而，自然界大洋俯沖帶中出露了大量的洋殼榴輝巖，表明至少有部分的洋殼與俯沖板塊拆離而折返至地表。近三十年來，眾多研究學者認為洋殼榴輝巖的折返必須借助于其它低密度巖石，如地幔楔蛇紋巖或增生楔變沉積巖。然而，深俯沖洋殼的折返機制仍不明確，根源在于對俯沖洋殼自身在淺部地幔的密度演化仍缺乏系統的認知。

　　中科院地質與地球物理研究所巖石圈演化研究室的陳意副研究員等人通過聯合變質巖石學中的相平衡計算和巖石物理學中的密度計算兩種方法，建立了俯沖洋殼在淺部地幔(P < 4GPa)的密度演化曲線，并結合自然界洋殼榴輝巖的巖石學特征、變質作用和演化歷史，限定了俯沖洋殼的最大折返深度和必須滿足的全巖成分條件。他們的研究結果表明：在冷俯沖和熱俯沖兩種地溫曲線演化條件下，俯沖洋殼的礦物組合、礦物成分、礦物含量和密度有顯著差異，并且洋殼榴輝巖的密度主要受低密度含水礦物的穩定性控制。若洋殼經歷冷俯沖(~6oC/km)，綠泥石、藍閃石和滑石可以分別穩定到2.3、2.6 和3.6GPa，俯沖洋殼的密度在<120km的深度(P < 3.6GPa)始終小于周圍地幔(圖1，圖2)，這表明若無其它低密度巖石的影響，洋殼榴輝巖能夠靠自身浮力折返的最大深度為120km。然而，若洋殼經歷熱俯沖(~10oC/km)，綠泥石、綠簾石和角閃石分別在較低壓力1.5、1.85 和1.9GPa 就完全分解，俯沖洋殼的密度在>60km 的深度(P > 1.8GPa)就高于周圍地幔(圖1)。因此，熱俯沖的洋殼榴輝巖能夠折返的最大深度為~60km。在<120km的深度，富水、高氧逸度(XFe3+ > 0.1)、富Mg(XMg > 0.40)、富Al(XAl > 0.26)和低Ca(XCa < 0.41)的冷俯沖洋殼榴輝巖密度低于周圍地幔，易于折返。這些限定結果與現今折返到地表的洋殼榴輝巖的溫壓條件和全巖成分相一致(圖2)。

圖1 俯沖洋殼的密度演化曲線

圖2 自然界洋殼榴輝巖的峰期溫壓條件和本研究限定的洋殼折返深度曲線(紅色粗線)