造山带岩浆作用的成因研究是重建造山带演化历史的关键。然而，这些岩浆的成分复杂、成因多样并受多重因素制约，因而准确的识别其来源及形成机制非常困难。例如，从火山弧向碰撞造山演变阶段的岩浆既保留有早期火山弧岩浆的地球化学特征，还携带了大陆岩石圈的成分信息；造山带从同碰撞到碰撞后演变阶段受到板片的断离与后撤、伸展以及拆沉等多种地质作用的影响，岩石圈-软流圈不同部位的岩石都可能发生部分熔融产生岩浆。

　　 阿尔卑斯-喜马拉雅造山带（AHOB）作为典型的弧-陆碰撞造山带,广泛发育同碰撞和碰撞后的新生代岩浆活动；此外，由于其广泛分布钾质-超钾质岩的特征和其独特的构造背景及地球动力学演化历史，一直都是探寻钾质-超钾质岩浆作用机制的理想场所。前人通过对AHOB幔源岩浆岩（如钾镁煌斑岩或者钾玄岩）的研究，查明其源区主要由三种成分组成：(A)大陆地壳组分，表现为岩浆岩强烈富集不相容元素，具有高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb、¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os和低¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd、¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf的同位素组成，以及高Th/Nb、Hf/Sm和较低的Ce/Pb、Nb/U比值；(B)难熔橄榄岩组分，表现为岩浆岩中含有难熔的富铬尖晶石和高Fo橄榄石，并具有较低的全岩FeO含量，因此其形成与难熔橄榄岩的部分熔融有关；(C)一种未知组分，以极高Th/La和相对高Sm/La比值为特征。目前，该未知组分(C)仅在AHOB钾镁煌斑岩中观察到，全球其他地质构造环境下的岩石中并未发现。这是由于俯冲板片熔/流体的Th和La分馏能力有限，因此弧岩浆和其他幔源岩浆（如MORB和OIB）的Th/La比值通常低于0.5，且与Sm/La呈负相关（图1）。

　　图1.全球不同构造背景岩石类型的全岩Th/La vs. Sm/La图解。作为对比的包括：特底斯域钾镁煌斑岩（紫色菱形）、阿尔卑斯-喜马拉雅造山带岩浆岩（橙色菱形）、洋岛玄武岩（灰色圆圈）、大洋中脊玄武岩（黄色圆圈）、弧岩浆（青绿色区域）、上地壳平均值（粉色五角星）、及全球俯冲沉积物平均值（蓝色五角星）。

　　 针对AHOB钾质-超钾质岩中发现的这一独特地球化学特征（极高Th/La比值）学术界提出了两种可能的形成机制：（1）极高的Th/La比值是大陆地壳的直接熔融而来；（2）与赋存在浅部岩石圈的混杂岩中低熔点物质（硬柱石或者黝帘石蓝片岩）的部分熔融有关。然而，至今仍然没有研究证据能够有效证明哪一种机制才是破解AHOB钾质岩“Th/La难题”的最佳钥匙。

　　 针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所、深地科学卓越创新中心王煜特任研究员、Jeremie Soldner博士以及徐义刚院士，联合澳大利亚麦考瑞大学的Stephen Foley教授以及德国美因茨大学的Stephan Buhre博士，统计分析了AHOB幔源岩浆岩（n≈5000）的全岩地球化学数据，发现极高Th/La比值并不是钾镁煌斑岩这类岩浆岩独有的特征，而是该造山带钾质-超钾质熔岩的普遍特征（图1），表明未知组分C广泛地参与了该造山带的钾质-超钾质岩浆作用。此外，通过调研全球蓝片岩及榴辉岩中可能携带这种极高Th/La比特征的矿物（如硬柱石、黝帘石、斜黝帘石、独居石等），研究人员找到了这把“钥匙”，即在俯冲板片和地幔楔交界面形成的混杂岩（mélange）中伴生的硬柱石蓝片岩。该蓝片岩中的硬柱石，尤其是具有陆源特征的硬柱石，是唯一具有类似AHOB钾质岩中识别出的极高Th/La和较高Sm/La比值的矿物，据此提出AHOB后碰撞钾质岩的成因不同于传统的深俯冲作用（图2），而是一种比较浅的俯冲叠瓦作用（60-80公里），且与在俯冲板片和地幔楔交界面形成的混杂岩中伴生的硬柱石蓝片岩密切相关（图2）。通过模拟计算，对比“深-浅”两种不同俯冲模型产出熔体的Th/La比值，可见“浅俯冲”模型可以更好地揭示AHOB钾质岩中观察到的独特地球化学特征。因此，AHOB钾质-超钾质岩浆源区中这种独特的高Th/La比值，绝非简单的在陆内深俯冲过程中通过大陆地壳的直接熔融形成，而是与复杂的壳幔相互作用、浅部叠瓦作用及后碰撞造山作用有关。

　　图2.深俯冲模型 vs. 浅部叠瓦作用模型。(A) 俯冲洋壳的三种不同进变质P-T-t轨迹：(a) 碰撞后造山环境下的“浅俯冲”模式，即蓝片岩可能被卷入上升的混杂岩底辟中，或在地幔较浅位置以蓝片岩混杂岩形式与地幔难熔橄榄岩通过叠瓦作用混杂堆叠保存在一起，联同许多小的大洋板块及大陆地块一同在地幔形成一个新的岩石圈；(b) 常规造山带区域变质模型；(c) 传统“深俯冲”模式，即蓝片岩最终被俯冲至地幔深部并被转化为角闪石岩或榴辉岩；(B) (C) 利用土耳其蓝片岩作为初始物质，PerpleX模拟计算得出的“深-浅”两种不同俯冲模型温压条件下的相图及各相模态含量；(D) 模拟计算对比两种不同模型产出熔体的Th/La比值，可见“浅俯冲”模型可以更好地解释阿尔卑斯-喜马拉雅造山带钾质岩中观察到的独特极高Th/La比值。

　　 这一新模型预测，如果蓝片岩在造山带钾质岩成因中具有重要作用，那么随着时间推移，越古老的造山带钾质岩中含有的Th/La比应该越低，反之则越高，这是因为蓝片岩在地球演化过程中的作用在逐渐增强。事实上，由老至新的造山带钾质岩中Th/La比值的确呈现一个逐渐升高的趋势（图3），从而进一步证实了浅俯冲模型对于AHOB钾质岩成因的约束，以及混杂岩中伴生的蓝片岩在造山带后碰撞钾质岩成岩过程中的重要作用。这些过程对于理解现代地球上的弧岩浆和后碰撞造山带岩浆作用非常关键，但是可能在地球形成早期（如晚太古宙）更为重要，因为由众多弧拼接合并而形成的原始地壳很可能广泛分布在这一地球演化时期。

　　图3.全球不同造山带钾质岩随时间变化Th/La比值演化图。由老至新：格伦维尔及斯维科芬尼造山带（980-1800 Ma），阿巴拉契亚、加里东、布拉西利亚诺及泛非造山带（410-800 Ma），瓦里斯坎、华南及中亚造山带（200-400 Ma），以及阿尔卑斯-喜马拉雅造山带（<80 Ma）。可见Th/La比值明显随时间推移而增加，尤其在古老的、缺少蓝片岩的格伦维尔及斯维科芬尼造山时期，Th/La比值非常低。

　　 研究成果于近日发表在《Science》子刊《Science Advances》。项目获得了中国科学院B类先导专项（XDB18000000），国家自然科学基金（41773055）、中国科学院青年创新促进会专项基金（2020348）等联合资助。

　　 论文信息：Wang, Y*(王煜)., S. F. Foley, S. Buhre, J. Soldner, and Y. Xu (徐义刚). 2021. Origin of potassic postcollisional volcanic rocks in young, shallow, blueschist-rich lithosphere, Science Advances, 7(29), eabc0291, doi:10.1126/sciadv.abc0291.

　　 论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabc0291

（同位素地球化学国家重点实验室供稿）