俯沖帶變質(zhì)脫水作用與流體性質(zhì)

李繼磊12

(1.中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 礦產(chǎn)資源研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029; 2.中國(guó)科學(xué)院 地球科學(xué)研究院，北京 100029)

俯沖帶(本研究指大洋俯沖帶)是地表物質(zhì)向地球內(nèi)部傳輸?shù)募~帶，也是板塊構(gòu)造理論的核心環(huán)節(jié)之一。蝕變的大洋地殼，連同上覆沉積物及下伏水化的巖石圈地幔，構(gòu)成俯沖板片的主體由海溝處進(jìn)入俯沖帶。隨著溫度和壓力的增加，進(jìn)入俯沖帶的板片會(huì)經(jīng)歷高壓-超高壓變質(zhì)作用，發(fā)生一系列的巖石相變、變質(zhì)反應(yīng)和流體作用。這些變質(zhì)反應(yīng)控制了俯沖板片的浮力和向下拖拽機(jī)制，并可以解釋流體的形成、釋放和運(yùn)移過(guò)程，來(lái)自俯沖板片的流體交代上覆地幔楔橄欖巖，最終導(dǎo)致復(fù)雜的島弧巖漿作用[1-2]。俯沖板片的變質(zhì)脫水作用是俯沖帶物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其形成的流體也是物質(zhì)遷移的主要介質(zhì)。俯沖帶變質(zhì)脫水與流體作用一直是俯沖帶研究的前沿和熱點(diǎn)，前人[3-7]就其已有了較為系統(tǒng)的總結(jié)。Schmidt和Poli[3-4]對(duì)洋殼俯沖過(guò)程的脫水作用進(jìn)行了系統(tǒng)闡述；Zheng等[5]主要關(guān)注了俯沖帶中水的遷移機(jī)理；Wei等[6]通過(guò)相平衡模擬對(duì)俯沖帶脫水過(guò)程、P-T條件及其誘導(dǎo)的弧巖漿作用進(jìn)行了總結(jié)；Li等[7]重點(diǎn)探討了板片流體中C、N、S等關(guān)鍵揮發(fā)分元素的地球化學(xué)行為及氧逸度、酸度對(duì)流體行為的控制作用。本研究在回顧大洋俯沖板片的脫水機(jī)制和流體作用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)流體的地球化學(xué)行為和俯沖帶流體的研究前景進(jìn)行展望。

1 俯沖板片的脫水機(jī)制及流體作用

俯沖板片由上至下包括沉積物、大洋地殼和巖石圈地幔。沉積物包含前陸及遠(yuǎn)洋的陸源、硅質(zhì)和碳酸鹽質(zhì)沉積物；俯沖洋殼是俯沖板片中最重要的部分，包含上部的大洋中脊玄武巖以及下部的席狀巖墻和輝長(zhǎng)巖；洋殼之下是蛇紋石化的巖石圈地幔。由于孔隙水在俯沖帶淺部基本被壓實(shí)擠出，俯沖帶流體作用主要指板片中結(jié)構(gòu)水的釋放。俯沖板片的基本單元因成分的差異可以形成不同的含水礦物，因此含水礦物隨著溫壓變化而發(fā)生變質(zhì)分解是板片脫水的基本內(nèi)涵。

1.1 俯沖帶含水礦物的穩(wěn)定域

俯沖板片的物質(zhì)組成是決定脫水作用的內(nèi)部因素。基性巖是俯沖洋殼主要組成部分，其變質(zhì)作用及脫水反應(yīng)對(duì)理解俯沖帶流體作用非常關(guān)鍵。基性巖在俯沖帶低地溫梯度條件下一般經(jīng)歷沸石相、葡萄石-綠纖石相、綠片巖相、藍(lán)片巖相、到榴輝巖相，巖石相變由一系列的脫水反應(yīng)所控制[3-6]。在前兩個(gè)階段，沸石、綠纖石和葡萄石是主要含水礦物，全巖含水量為8%～9%[8]。從綠片巖相開始，高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究顯示，變質(zhì)基性巖中主要含水礦物包括綠泥石、綠簾石、硬柱石、角閃石、硬綠泥石和白云母等(圖1)。綠泥石的水含量很高(達(dá)12%)，在溫度超過(guò)600 ℃時(shí)，綠泥石完全分解轉(zhuǎn)變成石榴石(圖1)。硬柱石的水含量也很高(達(dá)11%)，穩(wěn)定于高壓低溫部分(圖1)。變質(zhì)基性巖中角閃石的溫度上限受全巖成分影響很大，壓力上限為～2.4 GPa(圖1)。綠簾石穩(wěn)定于3 GPa以下的400～750 ℃的中溫區(qū)域(圖1)。白云母的穩(wěn)定域很大，其壓力上限可達(dá)到9 GPa以上的斯石英穩(wěn)定域[6](圖1)。俯沖帶變質(zhì)沉積物中含水礦物除了上述角閃石、硬柱石和白云母，還含有葉臘石、綠泥石、硬綠泥石、纖柱石、十字石和黑云母等[6]。對(duì)于泥質(zhì)巖成分體系，葉臘石僅出現(xiàn)于非常富鋁泥質(zhì)巖中，溫度上限低于450 ℃。硬綠泥石的穩(wěn)定上限也主要受溫度控制(圖1)，最高不超過(guò)600 ℃。綠泥石在1.5 GPa以下，主要受溫度控制，溫度上限約為650 ℃；而在1.5 GPa以上，綠泥石的穩(wěn)定上限明顯受壓力控制，可達(dá)到3 GPa。黑云母為低壓礦物，隨著壓力升高會(huì)轉(zhuǎn)化為白云母[9]。俯沖的蛇紋石化橄欖巖中主要含水礦物為蛇紋石(或葉蛇紋石)、綠泥石、滑石，高壓時(shí)出現(xiàn)A相、10?相、E相、斜硅鎂石和含水瓦茲利石[6]。葉蛇紋石溫度上限<700 ℃，升溫可轉(zhuǎn)變?yōu)榫G泥石(<5 GPa)和10?相(5～7 GPa)；壓力上限不高于7 GPa，升壓可轉(zhuǎn)變?yōu)锳相和10?相[2]。綠泥石的壓力上限為5 GPa，溫度上限為780 ℃；角閃石的穩(wěn)定域在3 GPa和600～1 100 ℃以內(nèi)[10]?；€(wěn)定于低壓中溫條件，介于葉蛇紋石與角閃石之間，壓力<1.5 GPa[2]；但在單礦物滑石脈中，滑石可穩(wěn)定至4.5～5.0 GPa[11]。

1.2 俯沖帶的流體作用

俯沖帶熱結(jié)構(gòu)是控制板片脫水和流體性質(zhì)的關(guān)鍵外部因素。不同地溫梯度下，俯沖洋殼脫水量在不同深度有顯著差別(圖1)。在暖-熱俯沖帶(地溫梯度≥15 ℃/km)中，完全水化的洋殼巖石在弧前深度(<60 km)丟失了大概2/3的水；而在冷(5～10 ℃/km)和非常冷(≤5 ℃/km)的俯沖帶中，弧前深度脫水量大概只有1/3。在弧下深度(>75 km)，暖到熱俯沖帶中洋殼大概有1.0%的水；而在冷到超冷的俯沖帶中有大約4.0%的水儲(chǔ)存在含水礦物硬柱石、黝簾石、硬綠泥石、滑石和多硅白云母中[3]。主要含水礦物硬柱石在弧下深度的分解造成冷洋殼在這個(gè)范圍內(nèi)的脫水量非?？捎^，強(qiáng)烈的脫水造成上覆地幔楔的大規(guī)模水化，最終導(dǎo)致弧巖漿作用[1-2](圖2)。在硬柱石消失之后，變質(zhì)基性巖中的含水礦物只有多硅白云母(圖1)，由于大多數(shù)基性巖貧K，其含水量很少(<0.1%)；遭受過(guò)洋底蝕變的基性洋殼K含量較高，因此蝕變洋殼可以攜帶更多的水到地幔深部。但即使體系里面不存在多硅變?cè)颇?，在超高壓條件下，名義上的無(wú)水礦物中還可以含有一定量的水[3]。變質(zhì)沉積物中K含量很高，在溫度升至550～600 ℃時(shí)，綠泥石和硬綠泥石先后發(fā)生脫水后，大量的多硅白云母還保存有大量的水，對(duì)平均成分泥質(zhì)巖來(lái)說(shuō)含水量可達(dá)到1.85%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[6]。超基性巖在俯沖帶中的流體行為取決于其初始蛇紋石化程度。對(duì)于低蛇紋石化超基性巖(<25%)，體系水含量尚未達(dá)到飽和狀態(tài)，基本不會(huì)在弧前俯沖階段發(fā)生明顯脫水[12]；對(duì)于完全蛇紋石化的超基性巖，鑒于蛇紋石的穩(wěn)定溫壓范圍，其脫水主要發(fā)生在150～200 km的弧下到弧后深度[13]，甚至有研究認(rèn)為超基性巖在持續(xù)俯沖至地幔過(guò)渡帶前不會(huì)發(fā)生明顯脫水[6]。

黑色斜體數(shù)字為蝕變洋殼的水含量(wt%)，修改自文獻(xiàn)[2,7]

2 俯沖帶流體性質(zhì)及其地球化學(xué)行為

俯沖帶流體不僅控制著地幔楔交代和部分熔融、島弧巖漿作用，還對(duì)板片-島弧體系物質(zhì)遷移與聚集和全球化學(xué)元素循環(huán)等地質(zhì)過(guò)程有著重要的意義(圖2)，因此流體性質(zhì)和地球化學(xué)行為是俯沖帶流體研究最重要的部分，也是理解殼幔相互作用和元素循環(huán)的關(guān)鍵鑰匙[14]。

2.1 俯沖帶流體的類型及性質(zhì)

在熱俯沖帶，當(dāng)板片溫度穿過(guò)洋殼巖石的濕固相線時(shí)，洋殼巖石在水飽和條件下發(fā)生熔融，形成含水熔體，最低熔融溫度約為650 ℃(圖1)。含水熔體比富水流體密度高，一般含有1%～15%的水，而在水不飽和條件下，角閃石和黑云母最高可穩(wěn)定至約900 ℃和2.5 GPa，超過(guò)則發(fā)生脫水熔融；多硅白云母在更高的溫壓條件下發(fā)生脫水熔融。低于1 GPa壓力下，洋殼熔融產(chǎn)生富鈉的長(zhǎng)英質(zhì)熔體，而在高于3 GPa壓力下則產(chǎn)生富鉀的熔體[2]。一些天然超高壓巖石樣品中的多相固體包裹體和熔體包裹體，被認(rèn)為是含水熔體的巖石學(xué)記錄[15]。這些多相固體包裹體和熔體包裹體顯示與島弧巖漿類似的微量元素特征，即大離子親石元素和輕稀土元素富集，高場(chǎng)強(qiáng)元素虧損。

在弧下深度，當(dāng)溫壓條件超過(guò)俯沖巖石體系的第二臨界點(diǎn)時(shí)，流體中硅酸鹽或硅酸鹽組分和硅酸鹽熔體中水的溶解度逐漸增加，形成溶質(zhì)含量在30%～70%的、介于富水流體和含水熔體之間的超臨界流體[16](圖1、圖2)。對(duì)于俯沖帶流體來(lái)說(shuō)，超臨界流體被用于描述富水溶液與含水熔體的完全混溶相，其形成會(huì)導(dǎo)致在先前相中不溶的許多組分具有更大的溶解度，大大提高了流體運(yùn)移溶質(zhì)的能力。

圖2 俯沖板片界面流體遷移形式及流體誘導(dǎo)俯沖帶元素循環(huán)示意圖(修改自[20])

2.2 俯沖帶流-巖相互作用及元素遷移

島弧巖漿巖和交代地幔巖的地球化學(xué)特征指示板片來(lái)源的俯沖帶流體攜帶大量溶質(zhì)組分，如大離子親石元素(large ionic lithophile elements，LILE)進(jìn)入了地幔楔[21-22]。然而，相當(dāng)多的研究發(fā)現(xiàn)俯沖板片中含水礦物(如硬柱石和藍(lán)閃石)脫水分解釋放的初始流體具有非常低的溶質(zhì)組分含量。流體在運(yùn)移過(guò)程中會(huì)與流經(jīng)的俯沖隧道內(nèi)各類巖石發(fā)生一系列的溶解-沉淀作用，進(jìn)行物質(zhì)交換，從而不斷改變巖石和流體自身的化學(xué)組成(圖2)。這表明俯沖板片釋放的低溶質(zhì)組分水流體在遷移上升過(guò)程中與周圍巖石發(fā)生了水/巖相互作用，導(dǎo)致大量組分從圍巖進(jìn)入流體，并伴隨這些俯沖帶流體最終遷移進(jìn)入島弧地幔源區(qū)[19]。高壓-超高壓變質(zhì)巖石中發(fā)育的高壓變質(zhì)脈體代表了俯沖帶流體曾經(jīng)的運(yùn)移通道和部分結(jié)晶產(chǎn)物，而脈體與其寄主巖石之間的反應(yīng)帶則記錄了成脈流體與巖石相互作用的直接信息[23-25]。不同類型脈體及相關(guān)主巖的詳細(xì)地球化學(xué)研究證實(shí)洋殼俯沖釋放的流體主量元素成分富Si、Na和Ca；而微量元素成分復(fù)雜多樣，既有富LILE、虧高場(chǎng)強(qiáng)元素(high field strength elements，HFSE)流體，也有富HFSE(Ti-Nb-Ta)流體[26]。俯沖帶流體不僅可以遷移易溶于水的大離子親石元素(如Ce、Rb、K、Ba、Sr、Pb和Th等)，也可以運(yùn)移重稀土元素(heavy rare earth elements，HREE)、高場(chǎng)強(qiáng)元素(如Nb、Ta、Zr、Hf和Ti)和過(guò)渡族金屬元素(如Cu、Fe、Co和Ni)等[26-27](圖2)。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)表明，一些揮發(fā)性組分(如鹵素F和Cl、輕元素B以及CO2等)的加入可能會(huì)明顯提高重稀土元素、高場(chǎng)強(qiáng)元素和過(guò)渡族金屬元素在熔/流體中的溶解度和活動(dòng)性[24]，但板片流體對(duì)這些傳統(tǒng)上“不活動(dòng)”元素的運(yùn)移能力和距離尚不清楚。此外，自然界高壓-超高壓脈體中含有碳酸鹽礦物、硫化物、磷灰石、云母等礦物，說(shuō)明流體中含有大量的C、N、S和鹵族元素等揮發(fā)分(圖2)，俯沖帶流體對(duì)揮發(fā)分元素的運(yùn)移在解析俯沖板片-島弧物質(zhì)循環(huán)方面扮演著重要的角色[25]。

3 俯沖帶變質(zhì)流體的未來(lái)研究展望

3.1 俯沖帶流體的氧化還原性質(zhì)

俯沖帶流體的氧化還原性質(zhì)制約了島弧高氧逸度的來(lái)源，同時(shí)對(duì)弧巖漿演化、流體出溶以及島弧斑巖礦床的形成具有重要的決定性意義。然而，目前對(duì)俯沖帶流體的氧化還原性質(zhì)方面呈現(xiàn)出的俯沖板片深部釋放的是氧化性的流體[28]和還原性流體[27]兩種截然不同的觀點(diǎn)。該分歧反映了俯沖帶的復(fù)雜性，板片流體的氧化還原性質(zhì)的差異可能在陸殼俯沖帶和洋殼俯沖帶有著本質(zhì)的區(qū)別，俯沖板片的性質(zhì)(比如沉積物類型/厚度、洋中脊擴(kuò)張速率、巖石圈地幔蛇紋石化程度等)、脫水深度也可能對(duì)板片流體的性質(zhì)具有決定性的影響[29]。因此，系統(tǒng)厘清俯沖板片流體氧逸度的基本性質(zhì)和關(guān)鍵控制因素，進(jìn)而推導(dǎo)出較有普適性的俯沖帶流體氧化還原狀態(tài)，是研究俯沖帶-島弧體系氧化還原物質(zhì)傳輸、弧下地幔氧逸度演化的重要方向。

3.2 俯沖帶流體活動(dòng)的時(shí)間尺度

俯沖帶是地球上流體活動(dòng)最為活躍的場(chǎng)所之一。流體-巖石相互作用在各地質(zhì)過(guò)程中扮演著重要角色，地質(zhì)流體通過(guò)將化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移以及大規(guī)模的構(gòu)造變形聯(lián)系起來(lái)，從根本上控制著地球巖石圈的物理化學(xué)性質(zhì)。盡管流體-巖石相互作用對(duì)地殼的動(dòng)態(tài)演化至關(guān)重要，但是由于缺乏合適的計(jì)時(shí)器，且傳統(tǒng)的放射成因測(cè)年技術(shù)提供了絕對(duì)年齡(且誤差較大)而不是持續(xù)時(shí)間，無(wú)法捕捉快速和短暫的地質(zhì)過(guò)程，所以流體-巖石相互作用的時(shí)間尺度基本上沒(méi)有受到精確的約束。近年來(lái)模擬的流-巖反應(yīng)的時(shí)間非常短暫，只有短短的幾十年到幾百年的尺度[23,30]，這對(duì)于傳統(tǒng)的以Ma計(jì)的地質(zhì)事件來(lái)說(shuō)短暫的讓人難以置信。因此俯沖帶流體活動(dòng)時(shí)間尺度問(wèn)題尚需進(jìn)一步的限定，此外，實(shí)驗(yàn)室模擬流體-巖石相互作用過(guò)程仍然是一個(gè)難題。

3.3 超臨界流體的特征及自然界存在形式

高溫高壓實(shí)驗(yàn)和理論模擬研究都顯示俯沖帶變質(zhì)巖P-T路徑可以通過(guò)體系的濕固相線，可以在第二臨界端點(diǎn)之上的壓力下形成超臨界流體[31-32](圖1)。雖然在天然樣品中觀察到一些可能暗示超臨界流體作用的現(xiàn)象[33]，但是目前確切的超臨界流體的巖石學(xué)記錄依然比較少見，大洋俯沖帶巖石中尚未發(fā)現(xiàn)能夠指示超臨界流體的證據(jù)；另外，能確切指示超臨界地質(zhì)流體存在的地球化學(xué)證據(jù)也很缺乏[34]，尚未建立超臨界地質(zhì)流體存在的鑒別性地球化學(xué)識(shí)別指標(biāo)[16]。

3.4 俯沖帶流體中C、N、S等揮發(fā)分的地球化學(xué)行為

地球上的揮發(fā)分對(duì)地球形成與圈層分異、巖漿演化與氧化還原狀態(tài)、金屬成礦元素富集以及全球氣候變化等諸多地質(zhì)過(guò)程都扮演著極其重要的角色。大洋俯沖板片可以攜帶大量的C、N、S等揮發(fā)分進(jìn)入地幔深度，而島弧噴氣過(guò)程中釋放了大量的CO2、N2、SO2、H2S等氣體，暗示俯沖板片可能釋放了大量的C、N、S等揮發(fā)分并通過(guò)弧巖漿作用的方式又循環(huán)回地表(圖2)。厘定這些溫室氣體的釋放通量對(duì)理解大氣圈演化、提高人類宜居性具有重要作用。板片脫揮發(fā)分與脫水過(guò)程密切相關(guān)，俯沖帶流體也是將這些揮發(fā)分聚集、遷移的主要媒介之一，但是目前對(duì)這些揮發(fā)分在俯沖流體中的存在形式、溶解度、控制因素的認(rèn)識(shí)還非常有限。要厘清俯沖帶對(duì)C、N、S等揮發(fā)分的循環(huán)機(jī)制，首先要對(duì)俯沖帶流體中這些元素的地球化學(xué)行為開展基礎(chǔ)性研究。