劉通等-GCA：新特提斯軟流圈的不均一性及再迴圈的古老大洋地幔
軟流圈是地球內部一個“承上啟下”的圈層。軟流圈地幔在大洋中脊被動上湧而發生減壓熔融，形成的熔體向上抽取進入岩漿房並經歷一系列演化後形成洋殼，熔融的殘留即為大洋岩石圈地幔。根據大洋中脊玄武岩（MORB）較為均一的化學成分，早期研究推測地幔對流可有效導致軟流圈化學組成的高度均一化。然而，最近20多年深海橄欖岩的同位素研究成果表明軟流圈在不同尺度上存在高度的不均一性。其中，最為矚目的成果是利用Re-Os和Lu-Hf同位素在深海橄欖岩中識別出古老的（Re虧損模式年齡高達20多億年）、超虧損的（εHf值高達+200以上）地幔組分，指示其經歷非常古老的部分熔融和熔體抽取事件。這些古老的熔融事件的發生顯然遠遠早於現今大洋的擴張時代（小於200Ma），因此軟流圈中的古老地幔被看作再迴圈進入大洋中脊的組分。然而，目前對軟流圈中古老地幔組分的來源和成因還缺乏約束，主要觀點包括：（1）透過俯衝作用再迴圈進入軟流圈的古老大洋地幔，（2）透過拆沉或地幔柱熱侵蝕再迴圈進入軟流圈的大陸岩石圈地幔，（3）受俯衝影響拆沉進入軟流圈的古老島弧地幔楔（圖1）。
圖1 軟流圈中古老地幔的來源和成因的不同觀點（MOR：大洋中脊；SCLM：大陸岩石圈地幔）
對深海橄欖岩的深入研究顯然可為理解軟流圈的不均一性及其誘因提供直接的證據。而作為古大洋岩石圈在大陸上的殘留，蛇綠岩中的地幔橄欖岩不僅可用來約束古大洋之下軟流圈的性質，而且可為認識現今軟流圈提供重要參考。新特提斯洋是中生代以來位於南半球岡瓦納大陸和北半球歐亞大陸之間的古海洋，也是地質歷史上最後消失的一個大洋。沿大約7000km的新特提斯縫合帶分佈有大量的蛇綠岩，是用來研究新特提斯洋演化及其軟流圈地幔的性質、組成和不均一性的重要載體。鑑於現今大洋深海橄欖岩的樣品十分有限，新特提斯蛇綠岩中的地幔橄欖岩成為研究軟流圈不均一性的重要補充。基於以上考慮，中國科學院地質與地球物理研究所岩石圈演化國家重點實驗室的劉通博士後、吳福元院士、劉傳周研究員及團隊成員與中國地質大學（北京）的朱弟成教授合作，利用新特提斯縫合帶西段土耳其境內的Kop Mountain蛇綠岩中的地幔橄欖岩（圖2），同時結合新特提斯蛇綠岩的已有資料，對軟流圈的不均一性及其成因進行了深入探討。
圖2 新特提斯縫合帶西段蛇綠岩分佈、Kop Mountain蛇綠岩位置（a）及地質簡圖（b）
研究顯示，Kop Mountain蛇綠岩中的地幔橄欖岩具有相對飽滿的化學組成，如全巖Al2O3和CaO含量分別介於0.6-2.3wt.%和0.7-2.4wt.%，斜方輝石和單斜輝石的Al2O3含量分別介於1.6-3.6wt.%和1.3-3.4wt.%，尖晶石的Cr#值介於14.3-55.0。這些特徵與全球深海橄欖岩的成分類似，而區別於弧前橄欖岩和大陸岩石圈地幔橄欖岩的組成。尖晶石Cr#值估算結果指示這些橄欖岩經歷了低-中等程度的部分熔融（5%-18%），單斜輝石微量元素模擬結果進一步表明其經歷無水條件下的部分熔融，而不同於島弧地幔普遍經歷的含水熔融。此外，Re-Os和Lu-Hf同位素研究指示Kop Mountain地幔橄欖岩經歷了古老的熔融事件（高達15億年），並於新特提斯洋中脊遭受侏羅紀的熔體交代作用。以上研究表明，Kop Mountain蛇綠岩中的地幔橄欖岩是典型的大洋地幔橄欖岩，並非前人認為的弧前橄欖岩。Kop Mountain蛇綠岩形成於大洋中脊的構造環境，可能在初始俯衝過程中遭受熔體交代的影響。鑑於這些橄欖岩相對飽滿的化學組成和古老的Os同位素模式年齡，它們應代表了俯衝再迴圈進入新特提斯軟流圈的古老大洋地幔，並在新特提斯洋擴張過程中對流到達洋中脊下方。
結合Kop Mountain蛇綠岩和現有的新特提斯蛇綠岩的Re-Os同位素資料，該研究建立了新特提斯地幔橄欖岩的Re-Os同位素資料庫，並與全球深海橄欖岩的Re-Os同位素分佈進行了統計學對比。結果顯示新特提斯地幔橄欖岩的Re-Os同位素分佈與深海橄欖岩在統計學上高度一致（圖3），因此指示二者經歷了類似的熔融歷史。根據不同蛇綠岩的產出位置、Re-Os同位素資料庫和現今大洋研究進展，研究人員恢復了地質歷史時期新特提斯軟流圈的不均一狀態（圖4）。與現今軟流圈類似，新特提斯軟流圈也具有高度的不均一性，含有大量再迴圈的古老地幔。古老大洋地幔存在於Kop Mountain、阿爾卑斯、阿曼和西藏日喀則蛇綠岩中（圖4b）；古老大陸地幔主要位於阿爾卑斯和西藏雅魯藏布西段和東段蛇綠岩；古老的島弧地幔楔在新特提斯軟流圈中可能佔據較高比例（>60%），這與新特提斯蛇綠岩中含有大量難熔古老地幔的事實一致。
圖3 新特提斯蛇綠岩地幔橄欖岩與全球深海橄欖岩的Re-Os同位素分佈的統計學對比
圖4 新特提斯在地質歷史上的演化、縫合帶位置（a-b）及其軟流圈的不均一狀態和再迴圈的古老地幔性質（c）
軟流圈作為MORB的源區，它的組成和均一程度直接決定了MORB的化學組成。現今大洋中脊已報道了具有異常化學組成的玄武岩，如富K熔岩、E-MORB（富集大洋中脊玄武岩）、島弧拉斑玄武岩以及著名的Dupal同位素異常。這些異常化學組分的存在被普遍歸因於再迴圈的古老地幔物質導致的軟流圈源區的不均一性。例如，富K熔岩和E-MORB的出現可利用軟流圈中再迴圈的再富化的大陸岩石圈地幔的部分熔融來合理解釋。此外，智利洋脊的具島弧特徵的玄武岩也被解釋為洋中脊俯衝過程中上覆島弧地幔楔經板片窗再迴圈進入軟流圈併發生熔融。鑑於新特提斯與現今軟流圈高度一致的不均一狀態，其中大量存在的再迴圈的古老地幔可作為蛇綠岩中玄武岩的潛在源區。因此，新特提斯蛇綠岩的玄武岩表現出的島弧地球化學印記也可能由再迴圈的古老地幔的熔融而導致，傳統的洋內初始俯衝、弧前擴張、SSZ（Suprasubduction zone）蛇綠岩等一系列觀點和模型無疑將受到挑戰。在地質和構造特徵上，蛇綠岩與大洋岩石圈高度一致，指示其形成於大洋中脊的構造環境；而在地球化學特徵上，蛇綠岩的玄武岩存在島弧印記，被解釋為形成於俯衝帶相關的構造環境（弧前或弧後盆地）。這種地質和地球化學證據之間的矛盾稱為蛇綠岩悖論（Ophiolite conundrum）。對蛇綠岩悖論的傳統解釋是全球90%以上的蛇綠岩形成於SSZ的構造環境。而該研究指出再迴圈的古老物質導致的軟流圈不均一性為解釋蛇綠岩悖論提供了另一種可能，利用玄武岩的地球化學特徵來判別蛇綠岩形成的構造環境還需謹慎。
該研究的科學意義在於：
（1）首次提出蛇綠岩中成分飽滿、時代古老的地幔橄欖岩代表再迴圈進入軟流圈的古老大洋地幔；
（2）揭示了地幔部分熔融和熔體交代過程中Re-Os和Lu-Hf兩種同位素體系表現出的不同地球化學行為；
（3）透過建立的Re-Os同位素資料庫恢復了新特提斯軟流圈的不均一狀態及其中古老地幔的來源和分佈，指出其與現今軟流圈具有高度相似的熔融歷史；
（4）印證了軟流圈不均一性是蛇綠岩悖論的一種合理解釋（即歷史繼承性理論），對傳統觀點提出挑戰。
研究成果發表於國際權威學術期刊Geochimica et Cosmochimica Acta (劉通*, 吳福元, 劉傳周, 朱弟成, 林音錚.Recycling of ancient sub-oceanic mantle in the Neo-Tethyan asthenosphere:Evidence from major and trace elements and Hf–Os isotopes of theKop Mountain ophiolite, NE Turkey[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021,311: 43-58. DOI: 10.1016/j.gca.2021.08.003)
校對：李玉鈐
