近日，国际地学权威学术期刊《Geoscience Frontiers》发表了题为“Generation of andesite through partial melting of basaltic metasomatites in the mantle wedge: insight from quantitative study of andean andesites”的研究成果。此项成果由中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室陈龙副教授、中国科学技术大学郑永飞院士、中科院广州地球化学研究所徐峥博士和中国科学技术大学赵子福教授合作完成。

安山岩是大陆弧最重要的岩石类型，同时大陆地壳平均组成就是安山质的，因此，安山岩的成因不但对探讨大陆弧岩浆作用机制和俯冲带地球动力学有不可替代的指示意义，而且对我们认识大陆地壳的形成演化极为重要。然而，虽然经了半个多世纪的研究，目前对安山岩的成因仍然存在巨大争议。争议的焦点集中在安山岩的富集组成的来源，也就是安山岩是地幔直接熔融的产物还是玄武质熔体通过岩浆分异和与弧地壳相互作用的产物。目前对这一争议的解决似乎遇到了瓶颈，这是因为在源区混合和同化混染两种机制当中，参与安山质岩浆作用的地壳岩石本质上是类似的，因此具有类似的地球化学效应，都能解释部分安山岩的成分特征。但是，从安山岩形成的先后顺序上说，源区混合过程发生在前，而同化混染过程发生在后。因此，理论上，如果发生在源区的深部过程本身可以很好的重现安山岩的成分特征，那么浅部过程就不是必须的，除非存在排他性的证据证明地壳混染的存在，而这一证据在绝大多数情况下是不存在的。因此，对于典型地区安山岩成因的精细正演模拟将有助于检验源区混合过程能否再现安山岩的主要地球化学特征，从而间接判断地壳混染存在的必要性，并最终在解决这一争议的道路上前进一步。

通过系统分析南美安第斯弧北、中、南段安山岩的地球化学特征及前人研究工作，发现：除了极少数中安第斯的安山岩之外，绝大部分安山岩的富集特征不能通过传统认为的亏损的幔源玄武质岩浆分异及与富集的大陆弧地壳的相互作用得到，它们的Sr-Nd同位素组成虽然不同程度富集，但都不随SiO₂含量的变化而变化（图1）；相反，这一富集特征最可能继承自它们的地幔源区。

图1. 安第斯安山岩的Sr-Nd同位素组成及它们与SiO₂含量的相关图。

为了进一步验证这一结论，作者通过详细论证，选取了：（1）代表安第斯弧不同段俯冲大洋沉积物(SS)组成的大洋深钻样品，代表侵蚀地壳的下地壳包体等的成分，以及典型的蚀变玄武岩(OAB)及亏损地幔（DMM）和富集岩石圈地幔（E-SCLM）等地壳和地幔端元；（2）最新俯冲带热结构模型所给出的安第斯弧不同段弧前、弧下及地幔楔的温度结构；（3）实验岩石学结果给出的，给定温度和压力及氧逸度条件下，不同含水量的沉积物、蚀变玄武岩及地幔交代岩的脱水/部分熔融的程度及对应的流体-矿物、熔体-矿物间关键微量元素的分配系数。然后，结合作者之前定性研究得出的安山岩成因的五步过程（SARSH模型），即俯冲(Subduction)、深熔(Anatexis)、反应(Reaction)、储存(Storage)和加热（Heating），对安第斯安山岩成因所涉及的俯冲洋壳（包括沉积物、侵蚀弧地壳及蚀变洋壳）弧前脱水、俯冲洋壳弧下熔融、板片熔体与地幔楔橄榄岩反应、地幔楔交代体在板片后撤或者底辟上升时受到加热熔融等系统过程（图2），进行了涵盖主量元素、微量元素以及放射成因Sr和Nd同位素的定量模拟。

图2. 大陆弧安山质岩浆作用机制模型图。

通过pMELTS程序进行的主量元素模拟结果发现，想要得到安山质熔体，地幔源区需要加入30%以上的板片来源熔体，使之岩石化学成分转变为玄武质（图3）。这一结果与基于质量平衡的微量元素和Sr-Nd同位素的模拟结果是吻合的（图4和图5）。因此，定量模拟工作表明，源区混合过程可以很好的重现安第斯安山岩的主微量元素和Sr-Nd同位素组成。同时，模拟结果还揭示，俯冲再循环地壳物质的成分和比例、地幔楔（包括俯冲板片）的热结构从根本上控制了安山质熔体的成分特征，这也是安第斯不同段安山岩成分差异巨大的根本原因，地幔楔的富集程度只起到次要作用。因此，幔源熔体与富集大陆弧地壳相互作用不是形成安山岩富集的成分特征的必要过程。

图3. SiO₂-MgO协变图解展示pMELTS主量元素模拟结果。

图4. 关键不相容元素的原始地幔标准化蛛网图展示微量元素模拟结果。

图5. Sr-Nd同位素协变图解展示放射成因同位素模拟结果。

这一研究结果进一步指出，安山岩很可能是交代地幔直接部分熔融产生的。从这个角度来说，大陆弧地区安山岩占主导，大洋弧地区玄武岩占主导的现象很可能不是前人认为的与上覆岩石圈不同程度相互作用的结果，其更可能是两种构造背景下，俯冲地壳物质在通量上存在系统差异的结果。地形更高更厚的大陆弧地区相较于地形较低且较薄的大洋弧地区可以为俯冲大洋板片提供更多的地壳物质。其次，这一认识，结合目前对俯冲带岩浆作用通量和沉积物循环通量及俯冲地壳侵蚀通量的研究成果，将为进一步定量刻画大陆弧地区地壳物质循环和地壳净生长速率提供重要依据。

Chen, L*., Zheng, Y. F., Xu, Z., Zhao, Z. F. (2021). Generation of andesite through partial melting of basaltic metasomatites in the mantle wedge: insight from quantitative study of andean andesites. Geoscience Frontiers 12.

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gsf.2020.12.005