地幔中的水與熔融*

夏群科 劉佳 張寶華 李佩 顧笑龑 陳歡

地球內(nèi)部的水主要儲存在地幔硅酸鹽礦物中，包括名義上無水礦物(即理想化學(xué)式中不含H的礦物)和含水礦物(即理想化學(xué)式中含有H的礦物)，其含量與分布主要受礦物成分、溫度、壓強(qiáng)、氧逸度、共存相等因素的影響(Kohlstedtetal.，1996；Bolfan-Casanova，2005；Ohtani，2005；Yangetal.， 2014；Yang，2016；Fei and Katsura，2020，2021；Liu and Yang，2020；Druzhbinetal.，2021)。一方面，板塊俯沖將水從地表帶入地球內(nèi)部，通過礦物相變和脫水、巖石熔融、巖漿分異等一系列物理和化學(xué)過程發(fā)生遷移，并最終通過火山作用返回地表，完成在地球內(nèi)部的循環(huán)(Hirschmann，2006；Karato，2011；Karatoetal.，2020)。另一方面，水以及其它揮發(fā)分可能被俯沖板片攜帶至過渡帶甚至深部地幔，經(jīng)歷長期、復(fù)雜的遷移和演化歷程(Ohtani，2005，2015，2021；Hirschmann，2006；Karato，2011；Huetal.，2016；Karatoetal.，2020)。由于微量的水就可以對地球內(nèi)部的諸多物理、化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著的影響(如電導(dǎo)率、粘滯度、以及固相線等)，所以地球內(nèi)部的水也極大地影響了地幔對流、地球化學(xué)分異等演化過程。地球內(nèi)部的水和熔體就如同人體的血液一樣，它們在地球內(nèi)部不同儲庫之間以及地球內(nèi)部與地表之間的交換、循環(huán)和相互反應(yīng)貫穿了地球內(nèi)外不同層圈及整個(gè)地質(zhì)時(shí)期，顯著改變了深部地球動(dòng)力學(xué)、地球化學(xué)演化、地球物理性質(zhì)、巖石成因和巖漿活動(dòng)、成礦元素遷移和富集、板塊構(gòu)造作用等諸多方面，并直接影響了大氣圈、水圈和生物圈的形成和演化(Hirschmann，2006；Karato，2011；Peslieretal.，2017；Karatoetal.，2020)。通過地球化學(xué)、地球物理學(xué)和高溫高壓實(shí)驗(yàn)，對水在地球物質(zhì)中的起源、賦存、儲量、性質(zhì)和效應(yīng)，以及對熔體在地球內(nèi)部的產(chǎn)生、運(yùn)移、分布和效應(yīng)開展研究，是回答“地球內(nèi)部如何運(yùn)行”這一基本科學(xué)問題的關(guān)鍵，也是當(dāng)前固體地球科學(xué)的前沿領(lǐng)域。

圖1 水對地幔熔融的影響方式 (據(jù)Katz et al., 2003修改)(a)一定壓力溫度條件下，地幔部分熔融程度與水含量的關(guān)系;(b)不同水含量下橄欖巖的固相線Fig.1 The effects of water on partial melting of the mantle (modified after Katz et al., 2003)(a) the relationship between partial melting degree and the bulk water contents of mantle at a specific pressure and temperature; (b) the solidus temperature for the mantle peridotite with different water contents

不同構(gòu)造背景下的鎂鐵質(zhì)巖漿作用是地幔發(fā)生熔融的最直觀表現(xiàn)。除此之外，在地球深部也存在著依靠地球物理觀測手段(如地震波速異常、電導(dǎo)率異常等)才能“察覺”的低程度熔融，例如有學(xué)者認(rèn)為上地幔底部存在全球性低速層，并將其解釋為部分熔融的結(jié)果(Tauzinetal.，2010)。水在地幔熔融時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)不相容性(總分配系數(shù)一般在0.008 ～ 0.013，Hirschmannetal.，2009)，因此含有微量水的地幔發(fā)生初始熔融時(shí)，如含100×10-6水的地幔發(fā)生0.1%熔融，其初始熔體的水含量就可高達(dá)10%。相比干地幔的初始熔體，如此高含量的水會顯著降低熔體中SiO2等成分的活度，從而影響初始熔體與殘余地幔之間的熱力學(xué)平衡(Ghiorso，1994；Katzetal.，2003)。在過去的幾十年里，已經(jīng)開展了大量的含水熔融實(shí)驗(yàn)研究(Kushiroetal.，1968；Mysen and Boettcher，1975；Hirose and Kawamoto，1995；Gaetani and Grove，1998；Baltaetal.，2011；Tilletal.，2012；Novellaetal.，2014)和熱力學(xué)模型計(jì)算(McKenzie and Bickle，1988；Langmuiretal.，1992；Ghiorso，1994；Ghiorso and Sack，1995；Iwamorietal.，1995；Asimow and Stolper，1999；Katzetal.，2003)，這些研究結(jié)果為深刻理解地幔含水熔融提供了重要科學(xué)依據(jù)。

總體來說，水對地幔熔融的影響有兩個(gè)重要方式：一種是在等溫等壓環(huán)境下，源區(qū)的水含量越高，固相線降低的程度越大，總的部分熔融程度也就越大(圖1a)，這種情況一般在島弧/弧后環(huán)境中常見。另外一種是在地幔等溫減壓過程中(絕熱體系)，對某個(gè)地溫梯度的地幔來說，其源區(qū)水含量越高，地幔發(fā)生初始熔融的深度也就越深(圖1b)。在洋中脊或熱點(diǎn)背景下，高的水含量一般會造成起始熔融深度的加深，從而造成總的熔融區(qū)間的增加，同時(shí)平均熔融程度降低(Asimow and Langmuir，2003)。此外，含水礦物在深部脫水和名義上無水礦物由于水溶解度差異也可以釋放出大量的水，從而誘發(fā)部分熔融，這種情況本質(zhì)上和等溫等壓下的水致熔融類似。水和熔體在地球內(nèi)部的遷移，既是地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過程導(dǎo)致的結(jié)果，又反過來作用于地球內(nèi)部的相關(guān)系(如礦物相變和熔融溫度)、化學(xué)行為(如元素分配和同位素分餾)和物理性質(zhì)(如波速、流變強(qiáng)度和電導(dǎo)率)，進(jìn)而影響包括地幔對流和板塊運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的地球內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。在過去的二十多年里，人們對不同構(gòu)造背景下產(chǎn)生的幔源巖漿水含量積累了大量的數(shù)據(jù)?；谶@些數(shù)據(jù)，人們也認(rèn)識到水的作用不僅體現(xiàn)在對熔融本身的影響上，它對熔體在地幔的聚集方式、巖漿的演化、氧逸度、粘度、密度等多個(gè)方面都有著顯著的影響(Gonnermann and Manga，2007；Kelley and Cottrell，2009；Nietal.，2015)。由于篇幅所限，本文將僅介紹幾種主要構(gòu)造背景下水對地幔熔融的影響。

1 大洋中脊

大洋中脊延綿近65000km，發(fā)育著地球上最主要的巖漿作用(大洋中脊玄武巖，MORB，Langmuir and Forsyth，2007)。在拉張的環(huán)境下，上涌的地幔物質(zhì)沿絕熱線與橄欖巖固相線相交并開始熔融，形成的熔體在浮力的作用下快速分離并上升。隨著減壓熔融的持續(xù)，熔體在上升過程中匯聚、在近地表冷卻形成洋殼，而熔融的殘余則形成了大洋巖石圈地幔的主體(Bonattietal.，2003)。因此，洋中脊地幔熔融過程決定了洋殼形成及上地幔的成分和熱狀態(tài)。長久以來，地幔溫度及其變化被認(rèn)為是控制洋中脊地幔熔融的一級因素(Klein and Langmuir，1987；Langmuiretal.，1992)。高的地幔潛能溫度可以導(dǎo)致上涌的地幔物質(zhì)在更深的位置與固相線相交，從而經(jīng)歷更大程度的部分熔融，產(chǎn)生更大體積的熔體和更厚的洋殼，以及形成更淺水深的洋脊。這種溫度導(dǎo)致的熔融變化能很好地解釋沿洋中脊洋殼成分、厚度、水深的規(guī)律性變化(Klein and Langmuir，1987；Langmuiretal.，1992)。但洋中脊玄武巖的元素和同位素證據(jù)表明在小尺度范圍內(nèi)地幔成分存在不均一性，并能顯著影響地幔熔融，其中水就是一個(gè)重要的因素。目前對上地幔水含量的限制主要是通過測量未去氣的大洋中脊玄武巖玻璃中的水來得到。Moore(1965)在研究夏威夷Kilauea Iki海底熔巖時(shí)發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)水深小于500m時(shí)，拉斑質(zhì)熔巖中的水才開始經(jīng)歷明顯的去氣作用，該深度與理論的預(yù)計(jì)也一致(McBirney，1963)。Michael(1988)最早嘗試通過玄武巖玻璃來限制上地幔的含水性，其對來自太平洋洋中脊的一系列未去氣的玄武巖玻璃的含水性研究發(fā)現(xiàn)微量元素虧損的玄武巖玻璃的平均水含量為800×10-6，考慮到原始的MORB玄武巖玻璃反映虧損的上地幔源區(qū)經(jīng)歷10%～20%的部分熔融，結(jié)合水的分配系數(shù)，最后估算出虧損上地幔的水含量范圍為100×10-6～180×10-6。該數(shù)值范圍與后來通過玄武巖玻璃H2O/Ce反演的水含量范圍近似一致(Dixonetal.，2002；Saaletal.，2002)。Shimizuetal.(2016) 對來自東太平洋隆起北部的大洋中脊玄武巖展開了系統(tǒng)的地球化學(xué)和水等揮發(fā)分的研究，認(rèn)為N-MORB不是單一的虧損地幔源區(qū)(DMM)熔融的產(chǎn)物，而是由虧損的DMM和相對富集的上地幔源區(qū)分別熔融產(chǎn)生的虧損MORB和富集MORB混合的產(chǎn)物，其對應(yīng)源區(qū)的水含量分別為59×10-6和660×10-6。越來越多的研究表明洋中脊地幔中水的存在可以顯著地影響洋中脊地幔熔融(Hirth and Kohlstedt，1996；Asimow and Langmuir，2003)，甚至影響地球內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過程(Kelleretal.，2017)。

首先，水的存在可以促進(jìn)洋中脊地幔熔融。人們很早就意識到水的加入可以降低地幔橄欖巖的固相線，進(jìn)而增加熔融(Kushiroetal.，1968；Green，1973；Mysen and Boettcher，1975)。Schillingetal.(1980，1982)最早意識到水在洋中脊地幔熔融過程發(fā)揮作用，在對受熱點(diǎn)影響的大西洋中脊Azores段的研究時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)MORB巖漿中包括水在內(nèi)的揮發(fā)分的含量隨著靠近熱點(diǎn)中心和水深變淺而升高，認(rèn)為溫度和揮發(fā)分共同作用導(dǎo)致了Azores洋中脊之下地幔高的熔融程度。Bonatti(1990)則通過對深海橄欖巖的研究認(rèn)為Azores洋脊地幔的溫度甚至比周邊正常洋脊地幔的溫度要低，因此Azores異常高的地幔熔融程度和洋殼厚度反映了源區(qū)的富水而非高溫，即是 “濕點(diǎn)” 而非之前認(rèn)為的“熱點(diǎn)”。值得注意的是，當(dāng)時(shí)作者沒有意識到地幔中名義上無水礦物的重要性(Bell and Rossman，1992)，而認(rèn)為上地幔的水主要的存在形式是角閃石、云母等其它可以穩(wěn)定存在的含水礦物。對現(xiàn)今大洋中脊地幔的地球物理觀測也直接證實(shí)了水的存在和影響。東太平洋隆起具有擴(kuò)張速率快、洋脊長(少轉(zhuǎn)換斷層)、深部無熱異常的特點(diǎn)，是研究正常洋中脊地幔熔融過程的理想對象。The Melt Seismic Team(1998)發(fā)現(xiàn)地幔在100～150km深度處開始熔融，明顯大于60～80km“干”橄欖巖的熔融深度，表明在無“熱點(diǎn)”或“濕點(diǎn)”的影響下，水在正常大洋中脊地幔熔融過程中也發(fā)揮重要作用。

圖2 水對洋脊地幔熔融的影響示意圖(據(jù)Langmuir and Forsyth, 2007修改)黑色和藍(lán)色的粗線條指示的是在洋中脊熔融柱中不同深度下的熔融程度，可見高水含量的情況下，在相當(dāng)長的熔融區(qū)間里熔融程度都較低，造成的最終結(jié)果是高水含量的情況下平均熔融程度較低(圖中的箭頭所示)Fig.2 The effects of water on the partial melting of mid-ocean ridge mantle (modified after Langmuir and Forsyth, 2007)The black and blue lines mark the partial melting degree at different depth beneath ridge, respectively. It could be seen that when the mantle contains high water contents, the partial melting degree would be rather low within a long melting column, which results in a lower mean total partial melting degree (as shown by the arrows)

雖然跟溫度一樣，水可以增加洋中脊地幔的起始熔融深度和熔融量(Hirth and Kohlstedt，1996；Asimow and Langmuir，2003)，但也有不同的一面。由于水是強(qiáng)不相容元素，熔融開始就大量進(jìn)入熔體中，因此它對地幔熔融的影響隨著熔融程度的增加而急劇減弱，這就會導(dǎo)致在洋中脊熔融三角區(qū)域的深下部分形成的熔體體積非常有限。也就是深部的小程度熔融主要受水的控制，而淺部的大程度熔融則由溫度控制。因此水和溫度都可以增加總的巖漿產(chǎn)生量，也就是更厚的洋殼厚度和更淺的洋殼水深，但不同的地幔平均熔融程度決定了熔體中不相容元素的濃度。高的地幔溫度可以增加平均熔融程度和降低熔體不相容元素含量；而水的加入則可以降低平均熔融程度和增加熔體不相容元素含量(圖2)。Asimowetal.(2004) 的研究顯示在含有～700×10-6水的情況下，地?！皾瘛比廴谥恍枰?5℃而非“干”熔融條件下的75℃的熱異常就能很好地解釋Azores熱點(diǎn)洋殼的異常厚度和成分變化。一般認(rèn)為洋中脊地幔的富水是由于周圍熱點(diǎn)的作用引起的(Dixonetal.，2002，2017)。然而，最近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，在沒有明顯熱點(diǎn)跡象的某些慢速、超慢速洋脊段中顯示出俯沖帶的信號(Caietal.，2021；Yangetal.，2021)。Liuetal.(2022a)最近對西南印度洋中脊48°～52°E段的MORB玻璃進(jìn)行了水含量的分析，發(fā)現(xiàn)該段洋脊中出現(xiàn)超厚洋殼(>10km)的50.6°E 段顯示出最高的水含量(>500×10-6)和H2O/Ce比值。同時(shí)，H-B-Sr同位素組成以及Ce/Pb比值等數(shù)據(jù)也指示如此高的水含量和H2O/Ce比值不是由蝕變產(chǎn)物的同化混染造成的，而是來自古老島弧地幔殘余組分的貢獻(xiàn)。此工作表明了除了洋脊-熱點(diǎn)相互作用以外，古大陸裂解造成的古老富水地幔在軟流圈的殘余也是造成洋脊巖漿活動(dòng)增強(qiáng)的重要因素。

此外，水的存在還可以影響洋中脊地幔熔體的遷移和匯聚。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，熔融柱內(nèi)不同部位產(chǎn)生的熔體快速上升并匯集到熔融柱頂部，然后沿著熔融三角頂部的通道匯聚到洋中脊軸部，這就是經(jīng)典的熔體池模型(Plank and Langmuir，1992；Asimow and Langmuir，2003)。該模型認(rèn)為洋中脊地幔熔體的匯聚是高效和徹底的。然而物理數(shù)值模型則認(rèn)為：在浮力的作用下，熔融柱產(chǎn)生的熔體將越過熔融區(qū)域并繼續(xù)向上升至更淺部的巖石圈熱力學(xué)邊界層，絕大部分熔體將沿該熱力學(xué)邊界層底部中的通道向洋中脊軸部匯聚(Sparks and Parmentier，1991；Montesietal.，2011；Kelleretal.，2017)。由于該“冷”界面的存在，一些遠(yuǎn)離洋中脊軸部的深熔融產(chǎn)生的熔體則會在通道中發(fā)生分離結(jié)晶并滯留(圖 3)。該熔體體積雖小，但意義重大。一方面該熔體強(qiáng)烈富集揮發(fā)性和水，能顯著影響對洋中脊地幔熔融過程去氣效率的估算；另一方面，該富水熔體在熱力學(xué)邊界層底部的滯留具有重要的地球動(dòng)力學(xué)意義。大洋巖石圈-軟流圈邊界層(LAB)地球物理間斷面的成因一直是個(gè)基本的地球動(dòng)力學(xué)問題，但目前對它的解釋存在很大爭議，相關(guān)的解釋涉及到溫度、壓力、成分、水含量、熔體等因素。特別是小體積富水熔體備受青睞，而也有觀點(diǎn)認(rèn)為它的形成和來源與大洋中脊熔融過程有關(guān)(Karato and Jung，1998；Kawakatsuetal.，2009；Schmerr，2012；Naifetal.，2013；Sternetal.，2015；Rochatetal.，2017；Mehouachi and Singh，2018)。最近，Rochatetal.(2017) 和Mehouachi and Singh(2018)分別從巖石地球化學(xué)和地球物理觀測方面支持遠(yuǎn)離洋中脊位置LAB熔體的存在，并進(jìn)一步認(rèn)為該熔體是源自洋中脊地幔熔融過程的側(cè)向補(bǔ)給并滯留在熱力學(xué)邊界層。

2 島弧

俯沖板塊釋放流體到地幔楔，降低地幔固相線從而引發(fā)地幔楔的熔融是弧巖漿形成的經(jīng)典模式(Tatsumi，1989；McCulloch and Gamble，1991)。雖然近些年來也有人認(rèn)為弧巖漿的地幔源區(qū)是俯沖板塊物質(zhì)與地幔楔上覆地幔的機(jī)械混合形成的(Marschall and Schumacher，2012)，對于水以什么形式(富水流體、含水熔體、超臨界流體)加入地幔楔也存在著不同看法(Stolper and Newman，1994；Kesseletal.，2005；Zhengetal.，2011)，但可以確定的是弧巖漿是所有構(gòu)造背景中最為富水的，它們是典型的地幔含水熔融產(chǎn)物。如引言中介紹的那樣，在等溫等壓的條件下地幔中的水會大大降低地幔固相線，源區(qū)水含量越高，引發(fā)的熔融程度也越大。早在二十世紀(jì)九十年代初期，通過對比馬里亞納島弧原始巖漿的水含量以及由保守元素(TiO2)計(jì)算的部分熔融程度，Stolper and Newman(1994)就發(fā)現(xiàn)其地幔熔融程度與源區(qū)的水含量成正相關(guān)關(guān)系，這從自然觀察上印證了水對地幔楔熔融的作用。

圖3 洋中脊地幔熔體匯聚的模型 (據(jù)Keller et al., 2017修改)藍(lán)色和紅色陰影區(qū)域分別代表“濕”和“干”的地幔減壓熔融；紫色區(qū)域代表富水熔體反應(yīng)形成的通道；綠色區(qū)域代表富水熔體的結(jié)晶和交代. 兩種模型最本質(zhì)區(qū)別在于深部富水熔體的歸宿Fig.3 Schematic model of mantle melt focusing beneath mid-oceanic ridges (modified from Keller et al., 2017)Shaded areas show volatile-bearing (blue) and volatile-free (red) domains of decompression melting; reactive channeling (purple); area of crystallization and metasomatism (green). The key difference between the models is the fate of deep, volatile-rich melt

在過去的二十年中，關(guān)于弧巖漿揮發(fā)分含量的熔體包裹體數(shù)據(jù)快速增長。隨著弧巖漿水含量數(shù)據(jù)以及其他地球化學(xué)和地球物理數(shù)據(jù)的不斷積累，人們可以從整體上去考察水在多大程度上影響著弧巖漿的形成。Planketal.(2013)對全球弧火山礦物斑晶中的熔體包裹體水含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)對不同的火山來說其中去氣程度最低的那些數(shù)據(jù)顯示出較窄的分布范圍，幾乎所有的弧火山中鎂鐵質(zhì)母巖漿的水含量范圍都為2%～6%，不同火山內(nèi)部的平均值變化較小，從3.2%到 4.5%；而全球范圍內(nèi)的平均值為3.9±0.4%。與此形成鮮明對比的是，全球范圍來看弧巖漿的流體活動(dòng)性元素、高場強(qiáng)元素和大離子親石元素含量(校正到MgO等于6.0%)顯示5倍以上的差異(Turner and Langmuir，2015)。Planketal.(2013)提出了造成以上相對集中的水含量范圍的兩種可能原因：地殼“過濾”模型和地幔熔融模型。簡言之，前者是說不同的島弧巖漿都具有比較高的原始水含量，之后在比較相似的地殼深度發(fā)生了巖漿房的脫氣，之后熔體包裹體又與外界熔體發(fā)生了再平衡；后者是說，觀察到的比較接近的平均水含量反映的是其原始巖漿的真實(shí)情況，其成因可能是：不同弧的地幔源區(qū)具有不同的初始水含量，但水含量高的地幔楔部分熔融程度較大，水含量低的地幔楔部分熔融程度較低，這樣造成的總結(jié)果就是原始熔體水含量比較接近。Planketal. (2013)發(fā)現(xiàn)許多島弧不同火山的H2O/Ce與Nb/Ce、Ba/La等指示俯沖流體加入的指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，說明脫氣作用對水含量的影響并不顯著。相反，通過TiO2含量估算的部分熔融程度(F)與源區(qū)水含量總體上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖4)，這與Stolper and Newman(1994)、 Kelleyetal.(2006，2010)和Langmuiretal.(2006)等對弧后的觀察結(jié)果相似。此外，Cooperetal.(2012)和Planketal.(2009)等發(fā)現(xiàn)島弧系統(tǒng)的H2O/Ce比值與俯沖板塊表面溫度具有相關(guān)性，這似乎暗示了俯沖板塊的溫度決定了對地幔楔的流體供應(yīng)，從而影響弧巖漿作用。

圖4 全球島弧地幔部分熔融程度與地幔源區(qū)水含量的對比(據(jù)Plank et al., 2013修改)縱坐標(biāo)為計(jì)算的源區(qū)水含量，圖中的曲線顯示不同熔融程度下原始熔體的水含量Fig.4 The comparison of calculated water contents in the mantle source and partial melting degree for the global arc mafic magmatism (modified after Plank et al., 2013)Dashed lines mark water contents of the primary magma at different partial melting degree

俯沖板塊釋放的流體量的差異是否是導(dǎo)致全球弧巖漿成分變化的主要原因呢？哈佛大學(xué)Charles Langmuir教授課題組對以下幾種可能導(dǎo)致全球弧巖漿成分變化的成因模型進(jìn)行了評估：(1)地殼厚度控制巖漿演化和地殼混染；(2)由俯沖板塊本身熱結(jié)構(gòu)控制的釋放流體/熔體成分的差異；(3)受到俯沖釋放融流體交代之前，弧下地幔本身的不均一性；(4)地幔楔熱結(jié)構(gòu)控制的不同部分熔融程度；(5)俯沖板片物質(zhì)形成的底劈及板塊侵蝕帶入了不同物質(zhì)到地幔楔。Turner and Langmuir(2015)選擇了全球弧火山數(shù)據(jù)中MgO在4%～12%之間的數(shù)據(jù)，并將元素成分校正到MgO等于6.0%時(shí)的值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是流體活動(dòng)性元素Rb、U等，還是不活動(dòng)元素Nb、REE等，以及La/Sm、La/Yb等比值都與地殼厚度呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，并認(rèn)為這種全球性的關(guān)系不能用殼內(nèi)的巖漿演化形成來解釋，而更多反映的是由厚度及其控制的地幔楔溫度結(jié)構(gòu)共同作用下導(dǎo)致的地幔不同程度熔融的結(jié)果。Turner and Langmuir(2022)進(jìn)一步綜合檢查了以上五種模型，認(rèn)為(1)、(2)和(5)都無法解釋全球弧火山的一級地球化學(xué)觀察。也就是說，雖然水在弧巖漿形成中起到了降低固相線的作用，但是從全球范圍來看俯沖板塊釋放流體/含水流體的差異并不是導(dǎo)致全球弧巖漿成分變化的一級控制因素。

盡管如此，俯沖板塊釋放到地幔楔的流體量的差異可能是導(dǎo)致局部尺度上弧巖漿產(chǎn)生量變化的主要原因。傳統(tǒng)的認(rèn)識是弧下地幔中的俯沖流體主要來自俯沖大洋板塊的洋殼部分，包括上覆沉積物的脫水/熔融，或者玄武質(zhì)洋殼從角閃巖相向榴輝巖相轉(zhuǎn)變過程中的脫水，而熱的俯沖板塊中的絕大部分水在達(dá)到弧下深度之前就被脫去。Walowskietal.(2015)分析了屬于典型熱俯沖帶的 Cascade弧火山灰樣品中熔體包裹體的氫同位素和微量元素特征，將這些數(shù)據(jù)與已發(fā)表的分析結(jié)果進(jìn)行比較，他們發(fā)現(xiàn) Cascade 巖漿中的流體更可能來自俯沖板片的較深部分——俯沖板片內(nèi)部的蛇紋石化橄欖巖。在Cascade弧，隨著俯沖的持續(xù)，從板塊內(nèi)部更深的巖石圈地幔蝕變橄欖巖釋放的流體，往上遷移過程中造成上部洋殼的部分熔融。正是這些含水熔體遷移到上覆的地幔楔中，進(jìn)一步引發(fā)熔融，形成弧巖漿。這說明熱的俯沖板塊并不意味著在弧前釋放掉大部分水而喪失給弧下地幔提供水的能力。與此類似，Cooperetal.(2020) 對大西洋小安德烈斯島弧火山的熔體包裹體進(jìn)行了系統(tǒng)的水含量和B同位素分析，其結(jié)果也顯示出非常強(qiáng)烈的來自俯沖大洋板塊中蛇紋巖的流體信號。同時(shí)，該島弧中地殼較厚的區(qū)域也正好對應(yīng)著俯沖板片中的轉(zhuǎn)換斷層發(fā)育的區(qū)域，暗示了在局部區(qū)域板塊釋放的流體增強(qiáng)了巖漿的產(chǎn)生量。

3 地幔過渡帶

地幔過渡帶是連接上下地幔的紐帶，其上下界面分別代表了由橄欖石向瓦茲利石轉(zhuǎn)變，以及林伍德石分解為布里基曼石+鐵方鎂石的深度。實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果表明，地幔過渡帶與上地幔底部和下地幔頂部的礦物組成的水溶解度存在巨大的差別。地幔過渡帶的瓦茲利石和林伍德石中水的溶解度最高可以達(dá)到～3.0%(Smyth，1987，1994；Inoueetal.，1995；Kohlstedtetal.，1996；Smythetal.，2003；Bolfan-Casanovaetal.，2018)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上地幔主要礦物的水含量，如橄欖石和輝石(Bolfan-Casanova，2005；Ohtani，2005，2021；Yang，2016)。在地幔過渡帶1200～1900℃溫度范圍，隨著溫度升高，瓦茲利石和林伍德石中的水含量逐漸降低至0.8%～1.2%(Demouchyetal.，2005；Litasovetal.，2011；Fei and Katsura，2020，2021；Druzhbinetal.，2021)。而下地幔主要礦物為布里基曼石和鐵方鎂石，幾乎所有的高溫高壓實(shí)驗(yàn)都顯示在下地幔頂部溫壓條件下，布里基曼石中的水含量<0.12%(Litasovetal.，2003；Bolfan-Casanova，2005；Paneroetal.，2015；Fuetal.，2019；Liuetal.，2021)，鐵方鎂石中的水含量<50×10-6(Bolfan-Casanovaetal.，2002；Litasov，2010)。最近10年來陸續(xù)在超深金剛石中發(fā)現(xiàn)的含水林伍德石、天然鐵方鎂石(Pearsonetal.，2014；Palotetal.，2016)也證實(shí)了地幔過渡帶和下地幔頂部具有巨大的水含量差異。

地幔過渡帶和上下地幔之間的巨大水含量差異導(dǎo)致的結(jié)果就是，當(dāng)富水的過渡帶物質(zhì)上涌穿過410km，或向下穿越660km間斷面時(shí)水的溶解度的急劇降低會引發(fā)脫水熔融(Hirschmann，2006；Karato，2011；Karatoetal.，2020)。早在21世紀(jì)初期，Bercovici and Karato(2003)就根據(jù)這種地幔中水的分配關(guān)系提出了“過渡帶水過濾”全地幔對流模型(“transition-zone water filter”)，認(rèn)為410km間斷面的熔融以及熔體在地幔過渡帶頂部的停留造成了上地幔的水及其他不相容元素的虧損。這種由礦物水溶解度巨大差異引起的部分熔融可能導(dǎo)致在過渡帶頂部和底部形成可觀測到的宏觀地球物理學(xué)效應(yīng)，比如地震波低速帶或電導(dǎo)率高導(dǎo)異常等現(xiàn)象。地震學(xué)研究顯示在中國東部、日本海、加拿大西北和美國西北部下方410km深度存在明顯的剪切波低速區(qū)(Revenaugh and Sipkin，1994；Alex Songetal.，2004；Schaeffer and Bostock，2010)。最近，Tauzinetal.(2010)甚至揭示了在上地幔底部存在一個(gè)全球性的低速層。此外，在美國西南部410km間斷面上方存在一個(gè)5～30km厚的高導(dǎo)層(Toffelmier and Tyburczy，2007)。所有這些在410km間斷面附近觀測到的低速-高導(dǎo)異常，目前都被歸結(jié)為水致部分熔融。同樣，對于660km間斷面附近深度，Schmandtetal.(2014)和Liuetal.(2016b，2018)通過地震學(xué)方法揭示了在下地幔頂部大約～750km深度存在明顯的地震波速下降，他們認(rèn)為這可能是由于過渡帶富水物質(zhì)向下傳輸引起的部分熔融所導(dǎo)致。

盡管地震學(xué)和大地電磁觀測揭示在全球多個(gè)地方的410km間斷面上方和660 km間斷面下方都有可能存在部分熔融，但這些已經(jīng)觀察的低速-高導(dǎo)現(xiàn)象是否可以用部分熔融來解釋還存在一定的爭議(Karato，2014)。由于開展地幔過渡帶相應(yīng)的溫壓條件下的實(shí)驗(yàn)研究挑戰(zhàn)性極大，關(guān)于過渡帶上下界面部分熔融物理性質(zhì)測量的高溫高壓實(shí)驗(yàn)報(bào)道極少。到目前為止，只有Freitasetal.(2017)原位測量了瓦茲利石到橄欖石相變(深部向上穿越410km間斷面)時(shí)剪切波速的變化，他們的實(shí)驗(yàn)研究表明410km附近含有0.7vol%的熔體就能夠很好解釋地震學(xué)的觀察結(jié)果。除此實(shí)驗(yàn)之外，F(xiàn)ei(2021)和Amuleleetal.(2021)在下地幔頂部溫壓條件下開展了部分熔融實(shí)驗(yàn)，他們的研究結(jié)果表明660km間斷面附近的硅酸鹽熔體可能比較富鐵和富水(20%)。因此，還需要更多的實(shí)驗(yàn)和精細(xì)的地球物理觀察來約束地幔過渡帶上下界面的熔融。

4 大陸板內(nèi)

新生代以來，在全球各個(gè)大陸上(包括：亞洲東南部、環(huán)地中海、澳大利亞東南部、北美東部等)都形成了大量的板內(nèi)玄武巖(Farmer，2014)。不同于同樣產(chǎn)生于陸內(nèi)環(huán)境的大陸溢流玄武巖，這些大陸板內(nèi)玄武巖的巖漿規(guī)模要小很多，通常呈現(xiàn)為孤立的點(diǎn)狀，但分布范圍很廣。由于大陸板內(nèi)玄武巖產(chǎn)地普遍遠(yuǎn)離板塊邊界(例如廣泛產(chǎn)出新生代玄武巖的中國東北地區(qū)距離歐亞大陸與太平洋板塊的界線超過了1000km)，因此這些板內(nèi)玄武巖的成因并不能直接用板塊構(gòu)造理論來解釋。大陸板內(nèi)巖漿作用往往被認(rèn)為是裂谷作用或熱點(diǎn)作用的產(chǎn)物，從地幔熔融的機(jī)制來講，也就是減壓熔融或者地幔的升溫。從地幔熔融的條件來說，地幔的富水也是可能的原因之一。然而，長久以來對板內(nèi)玄武巖遠(yuǎn)離俯沖帶，在缺乏原始水含量進(jìn)行定量分析的情況下，其富水地幔部分熔融模式常常是被忽略的。

圖5 中國東部新生代玄武巖水含量數(shù)據(jù)引自Xia et al. (2019), Kuritani et al. (2019), Gu et al. (2019) 和Wang et al. (2021a)；圖6數(shù)據(jù)來源同此圖Fig.5 The water contents of Cenozoic basalts in eastern ChinaData from Xia et al. (2019), Kuritani et al. (2019), Gu et al. (2019) and Wang et al. (2021a); Data sources in Fig.6 are the same as those of this figure

然而，對中國東部新生代玄武巖水含量的定量分析則恰恰表明，雖然它們遠(yuǎn)離俯沖帶，但其原始水含量也可達(dá)到弧后盆地甚至島弧玄武巖的范圍。東亞新生代玄武巖的分布范圍從我國東北一直到海南島，向南還可以進(jìn)一步延伸到中南半島(Zhou and Armstrong，1982；Zouetal.，2000；Choietal.，2005)。近年來，隨著利用斑晶反演玄武巖熔體水含量的技術(shù)手段的提出和應(yīng)用(Wadeetal.，2008；Xiaetal.，2013)，已經(jīng)對中國東部新生代玄武巖開展了一系列的水含量研究工作(Chenetal.，2015a，b，2017；Liuetal.，2015a，b，2016a；Guetal.，2019；Kuritanietal.，2019；Wangetal.，2021a)。根據(jù)構(gòu)造背景，中國東部新生代玄武巖主要分為兩個(gè)部分：受西太平洋板塊俯沖影響的東北、華北和華南地區(qū)的玄武巖以及受深源地幔柱影響的海南島及周圍區(qū)域的玄武巖(Huang and Zhao，2006；Xiaetal.，2016)。對于分布在東北、華北和華南地區(qū)的新生代玄武巖，研究結(jié)果顯示，這些板內(nèi)玄武巖水含量變化范圍很大(0.2%～4.2%)(Chenetal.，2015a，b，2017；Liuetal.，2015a，b，2016a； Kuritanietal.，2019)，整體上高于大洋中脊玄武巖(MORBs，0.1%～0.3%)和洋島玄武巖(OIBs，0.3%～1.0%)的水含量，落在弧后盆地玄武巖(BABBs，0.2%～2.0%)和島弧玄武巖(IABs，2.0%～8.0%)的范圍內(nèi)(Dixonetal.，2004)(圖5)。進(jìn)一步，根據(jù)批式部分熔融模型計(jì)算得到玄武巖源區(qū)的水含量普遍大于500×10-6(圖6；Kuritanietal.，2019；Xiaetal.，2019)，明顯高于正常的MORBs源區(qū)(～120×10-6；Salters and Stracke，2004)，表明中國東部新生代玄武巖源區(qū)具有高水含量的特征。相反地，Kuritanietal.(2019)計(jì)算得到長白山玄武巖地幔源區(qū)潛能溫度為1310～1400℃，落在上地幔的正常溫度范圍內(nèi)，表明位于長白山地區(qū)上地幔的低速異常體不是高溫所致。此外，除海南玄武巖以外，中國東部其他地區(qū)的板內(nèi)玄武巖的地幔潛能溫度也都在正常地幔溫度范圍內(nèi)(Kimuraetal.，2018)。因此，對于中國東部廣泛分布的大陸板內(nèi)玄武巖來說，溫度在其形成過程中沒有起到主導(dǎo)作用，而高的水含量很可能是引發(fā)部分熔融的主要因素。另一方面，對于受地幔柱影響的海南玄武巖，其水含量和反演得到的源區(qū)水含量分別為0.4%～1.1%和124×10-6～439×10-6(Guetal.，2019；Wangetal.，2021a)，略低于中國東部其他區(qū)域的板內(nèi)玄武巖(圖5、圖6)，與OIBs(0.3%～1.0%；100×10-6～750×10-6)的水含量范圍一致(Dixonetal.，2004；Bizimis and Peslier，2015)。此外，溫度的計(jì)算結(jié)果表明海南玄武巖與OIBs類似，具有明顯高的地幔潛能溫度(～1521℃；Guetal.，2019)。因此，海南玄武巖的形成主要與其下部存在的深源地幔柱密切相關(guān)。

圖6 中國東部新生代玄武巖源區(qū)水含量和H2O/Ce值分布圖 (據(jù)Chen et al., 2017修改)Fig.6 The water contents and H2O/Ce ratios of the Cenozoic basalts in eastern China (modified after Chen et al., 2017)

地震波層析成像顯示俯沖的西太平洋板塊穿過中國東部上地幔，滯留在地幔過渡帶(Huang and Zhao，2006；Weietal.，2015)，形成特殊的大地幔楔(Zhao and Ohtani，2009；Xuetal.，2018)。Chenetal.(2017)通過對柴河-阿爾山地區(qū)玄武巖的研究，發(fā)現(xiàn)玄武巖源區(qū)的水含量、洋殼和沉積物組分是不斷變化的，說明其源區(qū)不斷有新的大洋板塊組分補(bǔ)充。同時(shí)，在雙遼玄武巖和浙江玄武巖地幔源區(qū)也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象(Chenetal.，2015b；Liuetal.，2016a)。這些玄武巖源區(qū)富集組分的動(dòng)態(tài)變化很可能與正在持續(xù)俯沖的太平洋板塊有關(guān)，指示再循環(huán)的大洋板塊組分主要是來自于太平洋板塊(Chenetal.，2017)。也就是說，大陸板內(nèi)玄武巖的水很可能主要來自于滯留的太平洋板塊。通過對中國東部新生代玄武巖水含量進(jìn)行空間上的對比可以發(fā)現(xiàn)(圖6)，東部靠近日本海溝的玄武巖源區(qū)的水含量和H2O/Ce值要整體高于西部位于俯沖板塊最前緣的玄武巖，呈現(xiàn)水含量東高西低的變化趨勢。這種東西向的水含量變化趨勢與西太平板塊俯沖的方向一致，很可能對應(yīng)著俯沖的太平板塊持續(xù)脫水的過程(Xiaetal.，2019)。數(shù)值模擬研究表明，滯留在地幔過渡帶的富水太平洋板塊會在幾個(gè)百萬年以內(nèi)引發(fā)濕物質(zhì)的上涌(Richard and Iwamori，2010；He，2017)。此外，隨著板塊的俯沖和后撤也會在滯留板塊的最前緣形成物質(zhì)的上涌(Faccennaetal.，2010)，如果俯沖板片富水則會形成濕的地幔柱(Yang and Faccenna，2020)。這些模擬結(jié)果揭示了大地幔楔背景下物質(zhì)的循環(huán)過程(Xuetal.，2018)，為上地幔中濕物質(zhì)的上涌引發(fā)板內(nèi)巖漿作用提供了理論支持(Chenetal.，2017；Kuritanietal.，2019)。此外，中國東部新生代玄武巖的H2O/Ce與強(qiáng)不相容元素比值(Ba/Th、Nb/La等)以及Sr、Nd等同位素組成之間存在明顯的相關(guān)性，表明不同地區(qū)玄武巖地幔源區(qū)中的水分別是來自于不同脫水程度的再循環(huán)大洋板塊(Chenetal.，2015b，2017；Liuetal.，2015a，b，2016a)。這進(jìn)一步證實(shí)了中國東部新生代玄武巖的形成與再循環(huán)大洋板塊釋放的流體密切相關(guān)。

值得注意的是，全球范圍內(nèi)，大陸板內(nèi)玄武巖的主要分布區(qū)域之下的地幔過渡帶中普遍都存在俯沖并滯留的大洋板塊(Goesetal.，2017)。相似的大地幔楔背景暗示著，除少數(shù)與深源地幔柱有關(guān)的板內(nèi)玄武巖外，大部分的大陸板內(nèi)玄武巖可能都是由滯留在地幔過渡帶中的板塊引發(fā)富水物質(zhì)的上涌所致。

5 洋島

洋島玄武巖(OIBs)是指形成于遠(yuǎn)離板塊邊界的洋島或海山的玄武質(zhì)巖石，其成因大多歸于源自深部地幔的地幔柱作用(Hofmann，1997)。從熔融條件上說，地幔的溫度異常被認(rèn)為是引發(fā)地幔熔融的首要因素。但是，地球物理觀測結(jié)果表明并非全球所有的OIBs都對應(yīng)著顯著高的地幔溫度(Baoetal.，2022)。目前全球大多數(shù)典型OIBs的水含量已經(jīng)被分析報(bào)道。OIBs水含量的變化范圍在0.1%到3.0%(Dixonetal.，2004；Métrichetal.，2014；Longpréetal.，2017)，高于MORBs的水含量(DMORBs和NMORBs；～0.1%；Dixonetal.，2002；Shimizuetal.，2016，2019)。而其源區(qū)的水含量為300×10-6～1000×10-6，同樣顯著高于MORBs源區(qū)(50×10-6～ 200×10-6)，表明形成OIBs的地幔柱源區(qū)含有更為富水的組分(Hirschmann，2006)。

圖7 百慕大OIB成因示意圖(據(jù)Mazza et al.，2019修改)百慕大硅不飽和巖石被認(rèn)為是來自地幔過渡帶的富揮發(fā)分組分的熔融產(chǎn)物Fig.7 Illustration of the genesis of Bermuda OIBs (modified after Mazza et al., 2019)The silica-undersaturated rocks in Bermuda OIBs were suggested to be partial melting products of volatile-rich components derived from the mantle transition zone

通過OIBs含水性的研究，人們已經(jīng)認(rèn)識到水可以在以下幾個(gè)方面影響其地幔的熔融。首先，正如前文介紹的水對絕熱上升的地幔產(chǎn)生的作用那樣，OIBs源區(qū)地幔含有的300×10-6～1000×10-6水使其起始熔融深度加深40～100km(Aubaudetal.，2004；Hirschmann，2006)。在前文洋中脊玄武巖部分，已經(jīng)介紹了大西洋中與大洋中脊相互作用的高水Azores熱點(diǎn)。除此之外，冰島熱點(diǎn)也是個(gè)地?！皾瘛比廴诘牡湫屠?。Nicholsetal.(2002)對長達(dá)800多千米的雷克雅未克洋脊MORB進(jìn)行了系統(tǒng)的水含量分析，并利用分配系數(shù)計(jì)算了平衡熔體的水含量，結(jié)果顯示越靠近冰島地幔柱的洋脊水含量也越高。因此，很多OIBs是高溫和高水含量共同作用下的產(chǎn)物。其次，OIB源區(qū)中的水可以顯著降低粘滯度(Hirth and Kohlstedt，1996)，影響地幔柱與周圍地幔相互作用中的地幔流動(dòng)，從而改變地幔柱物質(zhì)上升和運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)過程。Petersonetal.(2017)研究發(fā)現(xiàn)，Galápagos群島玄武巖組成呈現(xiàn)從富集到虧損的系列變化，富集玄武巖具有更高的水含量和3He/4He，他們認(rèn)為富水使來自Galápagos地幔柱的富集組分具有更低的粘滯度，促進(jìn)其垂向上涌，使其不能橫向流動(dòng)與洋中脊物質(zhì)混合，從而影響地幔柱-洋脊相互作用。類似地，Gibson and Richards(2018)認(rèn)為地幔柱中含水富集組分在深處部分熔融形成的低粘度含水熔體會形成熔體通道，并在壓力作用下側(cè)向流動(dòng)，從而導(dǎo)致地幔柱中含揮發(fā)分的富集組分向洋中脊運(yùn)移，促進(jìn)地幔柱-洋脊相互作用。再次，地幔過渡帶或者下地幔的富水組分還可以是OIB源區(qū)物質(zhì)的直接來源。最近， Mazzaetal.(2019)測定了百慕大玄武巖的全巖化學(xué)組成、Sr-Nd-Pb-Hf同位素組成以及橄欖石斑晶組成，發(fā)現(xiàn)它們具有極高的206Pb/204Pb同位素組成(19.9～21.7)、較低的206Pb/204Pb(15.5～15.6)和變化范圍較窄的Sr-Nd同位素比值(0.7032～0.7037，0.51283～0.51288)，但顯示相對典型OIBs較低的橄欖石結(jié)晶溫度；同時(shí)發(fā)現(xiàn)基于單斜輝石斑晶水含量反演出的玄武巖熔體水含量高達(dá)5.7%。Sr-Nd-Pb放射性同位素的組成要求其源區(qū)的必須是較為年輕的儲庫(<650Ma)，因此，作者結(jié)合地球物理觀測顯示的上地幔低波速結(jié)構(gòu)特征，認(rèn)為百慕大玄武巖起源于富含不相容元素和揮發(fā)分的地幔過渡帶(圖7)。Blatteretal.(2022)通過對東太平洋巖石圈-軟流圈邊界高導(dǎo)異常的貝葉斯模擬，認(rèn)為其成因與富水熔體層密切相關(guān)。進(jìn)一步，作者認(rèn)為其高水含量無法由一般的洋中脊虧損地幔提供，并推測來自Galápagos地幔柱的影響是高水的主要原因。如果這種解釋是對的話，那就意味著富水地幔柱的含水熔體供應(yīng)可能對諸多大洋巖石圈之下LAB的形成具有重要作用。

最近，Guetal.(2020)利用單斜輝石斑晶反演的方法對印度洋上的克洛澤群島和凱爾蓋朗群島新生代玄武巖進(jìn)行了水含量的分析，估計(jì)了其原始熔體水含量分別為(3.69±1.18)%和(1.68±0.54)%，計(jì)算得到的地幔柱源區(qū)水含量分別為(2155±690)×10-6和(931±298)×10-6。不同于上面百慕大的例子，這兩個(gè)地區(qū)的地幔中都存在通達(dá)下地幔的波速異常(Montellietal.，2006；French and Romanowicz，2015)，暗示源區(qū)具有更深的來源。綜合全球OIBs的水含量數(shù)據(jù)，對比發(fā)現(xiàn)與非洲大剪切波低速省(LLSVP)相連的地幔柱具有更高(相比于太平洋LLSVP)的水含量。Yuan and Li(2022)的地球動(dòng)力學(xué)模擬工作顯示非洲LLSVP的隆升的高度要遠(yuǎn)大于太平洋LLSVP。考慮到水具有降低粘滯度的作用，它們在水含量上的差異或許是其成因之一。

6 大火成巖省

大火成巖省(Large Igneous Provinces，LIPs)由短時(shí)(<1～2Myr)巨量(>百萬立方千米)噴發(fā)的巖漿構(gòu)成，是地球內(nèi)部巖漿活動(dòng)在地表最宏偉的展現(xiàn)。除少數(shù)大火成巖省是以酸性巖為主以外，絕大多數(shù)LIPs的主體都是地幔熔融的產(chǎn)物(Ernst，2014)。LIPs的成因一直以來都是地球科學(xué)界最具爭議的熱點(diǎn)問題之一。雖然也存在著隕石撞擊、地幔暖化、板塊俯沖以及大規(guī)模巖石圈拆沉等多種模型(Jonesetal.，2002；Anderson，2005；Colticeetal.，2007；Ivanovetal.，2018)，但更為符合地球物理觀測、高的地幔潛能溫度、以及相關(guān)火山鏈年齡變化規(guī)律等多方面制約的還是地幔柱模型(Torsviketal.，2006；Herzberg and Gazel，2009； Ernst，2014；Sobolevetal.，2016)。特別是通過古板塊構(gòu)造活動(dòng)的重建工作表明，至少2.6億年以來的全球大火成巖省形成時(shí)所處的位置與現(xiàn)今觀測到的LLSVP的邊界在地表的投影位置相符合(Staudigeletal.，1991；Torsviketal., 2010；Burkeetal.，2008)。因此，大火成巖省的形成常常被認(rèn)為與下地幔的熱-化學(xué)異常區(qū)有關(guān)，并被作為探索深部地幔信息的超深“探針”。

圖8 大火成巖省原始巖漿的水含量示意圖數(shù)據(jù)來自Liu et al. (2017, 2022a)Fig.8 Recovered water contents of the primary magma of LIPsData from Liu et al. (2017, 2022a)

圖9 大火成巖省源區(qū)水含量(a)和地幔潛能溫度(b)數(shù)據(jù)引自Liu et al. (2017)及其參考文獻(xiàn)；圖10數(shù)據(jù)來源同此圖Fig.9 The calculated water contents of the mantle sources and mantle potential temperature of LIPsData from Liu et al. (2017) and the references therein; Data sources in Fig.6 are the same as those of this figure

圖10 大火成巖省H2O/Ce比值和估算的輝石巖來源熔體比例的對比Fig.10 The comparison of H2O/Ce ratios and proportions of pyroxenite-derived melts for the large igneous provinces

雖然水的存在對島弧、洋中脊以及洋島的影響已有多年的研究歷史(Stolper and Newman，1994；Asimow and Langmuir，2003；Kelleyetal.，2006；Hirschmannetal.，2009)，水對大火成巖省形成的作用在相當(dāng)長的時(shí)間里卻沒有被重視。對Ontong Java、Kerguelen等少數(shù)幾個(gè)海底高原玄武巖玻璃、Siberian Trap中的苦橄巖和麥美奇巖橄欖石熔體包裹體進(jìn)行的水含量分析顯示了較低的水含量(<1%)(Michael，2000；Wallace，2002；Sobolevetal.，2009a，b)。再加上很多大火成巖省原始巖漿的地球化學(xué)特征與洋島玄武巖非常接近(如OIB型的微量元素配分，較為富集的Sr同位素等)，長期以來很多學(xué)者在考察大火成巖省的熔融條件時(shí)考慮其源區(qū)是“干”的或者和OIB源區(qū)一樣(White and McKenzie，1989；Arndt and Christensen，1992；Herzberg and O’Hara，2002；Ernstetal.，2005；Lietal.，2012；Taoetal.，2015)。直到近十年以來才陸續(xù)有學(xué)者開始對大陸上的大火成巖省進(jìn)行水含量的直接測定。Stefanoetal.(2011)和Cabatoetal.(2015)對北美黃石火山鏈以及哥倫比亞河溢流玄武巖進(jìn)行了熔體包裹體的水含量研究，其最高水含量分別為3.3% 和4.2%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于夏威夷玄武巖的水含量0.8%～0.9%。但由于以上工作分析的包裹體MgO較低，且熔體包裹體中的水極容易與寄主熔體再平衡(Chenetal., 2011)，以上結(jié)果的能否代表大火成巖省原始成分的特征還有待進(jìn)一步評估。

Xiaetal.(2016)、Liuetal.(2017)和Guetal.(2019)對我國境內(nèi)同樣屬于大火成巖省的塔里木和峨眉山玄武質(zhì)巖石以及地幔柱來源但未能形成大火成巖省的海南新生代玄武巖開展了對比研究。大理苦橄巖位于峨眉山大火成省內(nèi)帶賓川剖面底部，代表了大火成巖省初期的巖漿活動(dòng)，是研究峨眉山大火成巖省原始水含量的理想樣品。通過單斜輝石斑晶反演得到大理苦橄巖的初始水含量為(3.44±0.89)%，與塔里木大火成巖省一致，具有高的水含量特征(圖8)。使用實(shí)測的水含量數(shù)據(jù)，重新計(jì)算地幔潛能溫度，結(jié)果顯示塔里木和峨眉山大火成巖省源區(qū)的地幔潛能溫度都明顯高于平均的MORB源區(qū)(圖8)。與此同時(shí)，塔里木小海子超基性巖和大理苦橄巖中橄欖石斑晶都具有高的Ni含量和Fe/Mn比值，指示源區(qū)存在易熔的輝石巖組分。此外，在峨眉山大火成巖省噴發(fā)之前可能發(fā)生了千米級的地殼抬升，指示地幔源區(qū)可能發(fā)生過快速減壓過程。綜上，塔里木和峨眉山大火成巖省地幔源區(qū)都同時(shí)具備了異常高溫、大幅降壓、易熔源巖和高水含量的特征。進(jìn)一步，通過對比顯生宙以來其他大火成巖省源區(qū)的水含量、地幔潛能溫度和輝石巖組分，發(fā)現(xiàn)大火成巖省也都同時(shí)具備高溫、易熔源巖和高水含量的特征(圖9、圖10)。

Guetal.(2019)以東南亞玄武巖省中位于低速異常體中心的海南玄武巖為研究對象，通過單斜輝石斑晶反演得到海南玄武的水含量為0.41%～1.15%，顯著低于典型大火成巖省的水含量。值得注意的是，海南玄武巖的水含量與全巖微量元素之間存在明顯的相關(guān)性，說明低水含量并不是由擴(kuò)散所導(dǎo)致，而是反映了源區(qū)的低水特征。由橄欖石計(jì)算得到的海南玄武巖的地幔潛能溫度為1518±24℃，落在大火成巖省的范圍內(nèi)。同時(shí)，海南玄武巖橄欖石斑晶具有高的Ni含量，顯示源區(qū)有輝石巖組分。因此，對比海南玄武巖與大火成巖省之間的水含量、溫度和源區(qū)組分，兩者之間不同之處是海南玄武巖源區(qū)具有低的水含量。較低的水含量，一方面會導(dǎo)致海南玄武巖的高黏滯度(>50倍于塔里木和峨眉山地幔柱)及低上涌速率，降低源區(qū)物質(zhì)的供應(yīng)速率，從而使巖漿產(chǎn)率降低，另一方面會使起始熔融的深度較淺，造成熔融區(qū)間較小，產(chǎn)生的熔體量也就較少。因此，海南玄武巖的低水含量很可能是抑制大火成巖形成的關(guān)鍵因素，也就是說高水含量是形成大火成巖省的必要條件。通過對塔里木、峨眉山大火成巖省，以及海南玄武巖的對比研究可見，源區(qū)的高水含量對地幔的巨量熔融是非常重要的。實(shí)際上，大火成巖省源區(qū)富水的特征已經(jīng)逐漸得到其他學(xué)者后續(xù)工作的支持。Liu and Leng(2020)對塔里木地幔柱開展的數(shù)值模型工作也證實(shí)了其地幔源區(qū)顯著富水。Ivanovetal.(2018)對Siberian Traps麥美奇巖中橄欖石熔體包裹體進(jìn)行了水含量分析，校正分離結(jié)晶影響后的水含量最高可達(dá)到3.88%，遠(yuǎn)高于Sobolevetal.(2009b)對同樣產(chǎn)地樣品的分析結(jié)果(～1.6%)。

水的存在不僅對大火成巖省的形成具有重要作用，最近的研究還發(fā)現(xiàn)水還對其成分的變化也起到了關(guān)鍵作用。高Ti、低Ti型玄武巖或苦橄巖的出現(xiàn)是全球大火成巖省(LIPs)的普遍現(xiàn)象。一般而言，這兩種類型的苦橄巖具有不同的微量元素配分模式：高Ti型苦橄巖具有更高的不相容元素含量，更高的(Gd/Yb)N和(La/Yb)N(N表示原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值)，這種差別反映了源區(qū)組成和/或部分熔融條件的差別。對單個(gè)大火成巖省來說，高低Ti型苦橄巖常常表現(xiàn)出一定的時(shí)間和空間分布特征，這種時(shí)空分布也被用來指示地幔柱的溫度-成分結(jié)構(gòu)和地幔柱-巖石圈相互作用過程。例如，在Siberian Traps，Karoo，Deccan Traps等LIPs的噴發(fā)序列中都存在從早到晚由高Ti到低Ti的轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變被解釋為由于巖石圈的減薄，地幔柱中平均熔融深度逐漸減小而熔融程度增大的結(jié)果。而相反的轉(zhuǎn)變趨勢則被認(rèn)為是源區(qū)由巖石圈地幔到地幔柱頭的轉(zhuǎn)變。實(shí)際上，以上兩種解釋都各自存在著缺陷。例如，大火成巖省的噴發(fā)都是短時(shí)的(大多數(shù)1～5Myr)，在如此短的時(shí)間內(nèi)地幔柱侵蝕作用實(shí)際上無法使巖石圈發(fā)生顯著減薄(Wangetal.，2015)；而對于峨眉山LIP中的噴發(fā)初期的低Ti型最為原始的苦橄巖具有較高的Nb/La值(接近1)，這與板塊邊緣受俯沖流體交代的信號不符。繼Liuetal.(2017)報(bào)道了峨眉山大火成巖省賓川剖面底部低Ti型苦橄巖(大理)的水含量之后，Liuetal.(2022b)報(bào)道了峨眉山大火成巖省中來自賓川、永勝和麗江剖面中的高Ti型苦橄巖的水含量以及橄欖石結(jié)晶溫度。結(jié)果表明，高Ti型苦橄巖的水含量和源區(qū)輝石巖比例分別低于和高于低Ti苦橄巖的相應(yīng)值，恢復(fù)的地幔潛能溫度亦接近1500℃。這顯示了高Ti型苦橄巖的源區(qū)也是富水的地幔柱。整體而言，峨眉山苦橄巖的地幔源區(qū)水含量與其原始熔體的化學(xué)成分(Ti/Y、Sm/Yb 和 TiO2/Al2O3)之間的相關(guān)性可用來源于再循環(huán)大洋板塊中的脫水洋殼和含水橄欖巖的熔體混合來解釋。該工作的結(jié)果表明源區(qū)水含量的變化是調(diào)節(jié)大火成巖省原始熔體成分的重要因素。

7 問題和展望

通過以上的介紹可以看出，水在不同背景的地幔熔融中都有各自的角色。但是，想要準(zhǔn)確和定量地回答水在地幔中的分布，以及它們?nèi)绾斡绊懙蒯５娜廴趧t并非易事。首先，一個(gè)重要的現(xiàn)實(shí)問題在于目前的水含量數(shù)據(jù)還不那么豐富和可靠。例如，對于采樣最為密集的MORB來說，相比起上萬條的主量元素分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確的水含量數(shù)據(jù)不超過2000條。其他類型巖漿作用多數(shù)是在陸地上噴發(fā)的，熔體包裹體的分析和礦物斑晶的反演是水含量數(shù)據(jù)的最主要來源。然而，熔體包裹體中的水極易與經(jīng)歷后期演化或者脫氣的寄主巖漿發(fā)生再平衡(Chenetal.，2011；Gaetanietal.，2012)，而目前采用最多的非偏振紅外光譜分析單斜輝石斑晶水含量的方法帶來的誤差較大。其次，噴發(fā)到地表的巖漿已經(jīng)是經(jīng)歷了不同源區(qū)組分來源的熔體混合、淺部熔巖反應(yīng)、脫氣、混染等過程的復(fù)雜混合體，如何深入甄別能夠反映地幔熔融的指標(biāo)具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。此外，對深部地球物理觀測現(xiàn)象的解釋還具有很大不確定性。例如，小尺度方面，如地幔過渡帶低速-高導(dǎo)異常帶常被解釋為部分熔融的存在，但實(shí)際上目前對諸如地幔過渡帶部分熔融與水的關(guān)系是什么，地幔過渡帶頂部和底部熔體是硅酸質(zhì)還是碳酸質(zhì)，在存在差應(yīng)力和其他揮發(fā)分(如CO2)的情況下熔體比例與波速和電導(dǎo)率之間的關(guān)系是什么等問題還尚未得到清晰的回答。大的方面，與OIBs和LIPs密切相關(guān)的具有半球尺度的LLSVP是如何形成的，其中是否存在高密度的熔體等也尚未解決。

因此，將來還需要在以下幾個(gè)方面做出更多努力：(1)探索更加準(zhǔn)確、可靠的原始熔體水含量分析手段，采用多途徑交叉驗(yàn)證的方式來保證水含量、H同位素組成分析的準(zhǔn)確性和解釋的合理性；(2)在繼續(xù)擴(kuò)大不同構(gòu)造背景巖漿作用，特別是大火成巖省，原始水含量數(shù)據(jù)的同時(shí)，采用大數(shù)據(jù)+機(jī)器學(xué)習(xí)的新研究范式對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，尋找隱藏的規(guī)律；(3)加強(qiáng)現(xiàn)有地球化學(xué)數(shù)據(jù)、地球動(dòng)力學(xué)模擬、高溫高壓實(shí)驗(yàn)以及地球物理觀測之間多學(xué)科聯(lián)合研究，降低數(shù)據(jù)的多解性。