近日，國際學術期刊Jounal of Geophysical Research: Solid Earth（Nature Index刊物）在線刊發(fā)了中科院海洋所張國良研究團隊關于Nb/Ta分異規(guī)律約束弧巖漿成因的最新成果，對于理解板塊俯沖有關的富硅弧巖漿形成及陸殼增生機制有重要意義。
弧巖漿結晶分異作用被認為是形成陸殼和富硅巖漿的重要方式之一，然而，幔源玄武質巖漿向長英質轉變主要發(fā)生在角閃石的穩(wěn)定域還是石榴石穩(wěn)定域，還存在很大爭議?；r漿的演化常伴隨Nb/Ta降低，目前有研究認為低Mg#角閃石或金紅石的分離結晶會導致巖漿Nb/Ta比值降低。金紅石形成于高壓環(huán)境，常與石榴石伴生。因此，厘清弧巖漿Nb/Ta降低的誘因，可能解決其化學成分由玄武質向長英質轉變發(fā)生深度的問題。
該項研究由中科院海洋所張國良團隊與中科院廣州地球化學研究所合作開展，針對前人實驗溫度（>1000 ）通常高于弧巖漿演化溫度的不足，研究團隊開展了850-1000 溫度下金紅石對Nb/Ta分異效應的高溫高壓實驗研究。通過測定高溫高壓實驗對礦物/熔體分配系數(shù)，結果顯示Ta相對Nb在金紅石中更相容，不支持金紅石是引起巖漿Nb/Ta降低的推論（圖1，圖2）。結果也顯示金紅石平衡結晶（≥900 ）會導致巖漿Nb/Ta升高，而非平衡結晶（如：850 ，金紅石結晶于發(fā)生過Nb/Ta擴散分異的巖漿，且金紅石結晶后與整體巖漿體系未能達到分配平衡）會使巖漿Nb/Ta降低（圖1）。在此研究結果基礎上，本研究還統(tǒng)計了大洋島弧、年輕陸弧、成熟陸弧巖漿的Nb/Ta和Dy/Yb數(shù)據(jù)等，發(fā)現(xiàn)Nb/Ta和Dy/Yb呈正相關性，這進一步指示是角閃石分離結晶對弧巖漿Nb/Ta變化起控制作用（圖3）。盡管實驗結果表明低溫條件下Nb/Ta在熔體中的擴散分異會可以結晶出Nb/Ta值高于整體熔體的金紅石，但在真實的巖漿結晶過程這種機制沒有發(fā)生，這可能是因為金紅石結晶十分緩慢或者金紅石與巖漿共存的時間足夠長使Nb和Ta在金紅石-巖漿間遵循平衡分配。研究認為，幔源巖漿的化學成分由玄武質向長英質轉變主要發(fā)生在角閃石的穩(wěn)定域。
圖1. 金紅石平衡條件（a）與非平衡條件下Nb/Ta值與初始物對比（注：非平衡結晶可以形成金紅石中高Nb/Ta特征）
圖2. 平衡實驗中Nb、Ta在金紅石/熔體中的分配系數(shù)
圖3. 全球弧巖漿Nb/Ta與Dy/Yb相關圖解（Nb/Ta比值變化與Dy/Yb相關度較高，顯示角閃石分離結晶的影響）
此項研究對于揭示弧巖漿結晶分異深度、礦物組合等規(guī)律、弧巖漿成因、及其對陸殼增生貢獻等具有重要意義。論文第一作者為陳偉博士后，通訊作者為張國良研究員。研究得到國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等項目資助。
論文鏈接：Chen, W; Zhang, G.L et al. Genesis of intermediate and silicic arc magmas constrained by Nb/Ta fractionation. Jounal of Geophysical Research: Solid Earth, (2021). https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020JB020708
