榴辉岩作为典型的高压变质岩石，主要由石榴石和绿辉石组成。低温-高压型榴辉岩的出现被认为是现今板块构造启动的重要标志 。然而，在发生强烈麻粒岩化叠加的高压地体中，榴辉岩相矿物组合很难保留，绿辉石常发生退变形成单斜辉石，尤其是在太古宙和古元古宙的变质地体中。目前许多研究指出现今板块构造在古元古宙甚至太古宙就已经启动，高压-低温型榴辉岩在地球早期就可形成，但却难以保存。前人观点认为太古宙高的地热梯度，使俯冲板片在地壳浅部发生强烈脱水，形成无水干燥的变质环境，由于缺水抑制了榴辉岩相矿物组合的形成，导致麻粒岩相的矿物组合可以一直稳定到榴辉岩相的变质深度。但是这一观点不能解释古元古代全球零星分布的榴辉岩。深入研究地球早期榴辉岩难以保存的问题可以丰富对现今板块构造启动的认识。
图1 喜马拉雅造山带榴辉岩分布地质简图
喜马拉雅造山带出露两类型榴辉岩—西构造结的超高压榴辉岩以及中喜马拉雅麻粒岩化榴辉岩 (图1)。西构造结超高压榴辉岩具有低的变质热梯度(<350 ℃/GPa)，以阿尔卑斯型变质作用为主，基质保存有新鲜的绿辉石。而中喜马拉雅榴辉岩在折返过程中叠加了高温-超高温麻粒岩相变质 (>800 ℃/GPa)，绿辉石在退变过程中难以保留，往往以残留相存在于石榴石和锆石的包裹体中。中喜马拉雅具有高的地热梯度和地壳厚度 (>60 km)，地壳深熔作用明显。另外，目前全球所报道的古老的榴辉岩相岩石，比如华北克拉通太古宙 (>2.47 Ga)榴辉岩相石榴辉石岩、俄罗斯白海造山带Salama榴辉岩 (~1.9 Ga)、非洲坦桑尼亚Usagarian (~2.0 Ga)榴辉岩等均叠加了高温麻粒岩相变质作用 (图2)。其P−T轨迹、折返速率以及麻粒岩相叠加变质条件与中喜马拉雅榴辉岩类似 (图2)。因此中喜马拉雅麻粒岩化榴辉岩强烈退变质现象可用于解释为何地球早期高压记录难以保留。
图2 中喜马拉雅榴辉岩变质热梯度及变质P-T轨迹
聚焦上述科学问题，北京大学地球与空间科学学院张贵宾副教授课题组，联合张立飞教授和香港大学A. Alexander G. Webb副教授，对中喜马拉雅藏南的Ama Drime以及尼泊尔Arun Valley地区麻粒岩化榴辉岩的部分熔融特征进行了深入研究。中喜马拉雅榴辉岩发生了显著的部分熔融，野外可见浅色体呈瓤状或细脉状包裹于榴辉岩中，镜下可见针楔状长石构成熔体假象穿插在暗色矿物之间 (图3)。在变质石榴石中也发现有典型的多相矿物熔体包裹体，熔体包裹体保留典型的负晶形并具有低的二面角结构 (图3)。另外，在榴辉岩中识别出两类型石榴石，变质石榴石(Grt I)呈大颗粒不规则斑晶，含大量包裹体，转熔石榴石(Grt II)呈自形小颗粒，包裹体少。成分上，转熔石榴石相比于变质石榴石具有高的Alm、Prp、HREE，低的Grs以及显著的Eu负异常。
图3 中喜马拉雅榴辉岩野外产状及岩相学特征
结合岩相学观察、浅色体地球化学特征以及相平衡模拟，确定中喜马拉雅榴辉岩经历了两类型的深熔反应。峰期以绿辉石参与下多硅白云母脱水熔融为主，形成高K2O的熔体，而降压折返阶段则以绿辉石分解熔融为主，形成高Na2O/K2O的熔体。主要依据如下：1) 石榴石中Kfs−Pl−Qz、Kfs−Qz多相熔融包裹体起源于峰期多硅白云母脱水熔融，相平衡模拟指示多硅白云母的丰度在穿过固相线明显降低，并伴随着熔体含量升高，深熔反应为Ph + Omp + Qz = Melt + Grt II (图3，4)。2) 变质石榴石中发现了Cpx−Pl−Qz多相矿物包裹体，单斜辉石呈不规则它形状，代表了熔融残余矿物或转熔矿物相 (图3)；2) 榴辉岩部分熔融产生的浅色体具有高的Na2O/K2O，其微量元素样式与绿辉石一致 (图5)；3) 基质中的单斜辉石保留有Na2O成分环带，浅色体中的长石富钠，与绿辉石硬玉分子分解有关 (图3)；4) 相平衡模拟表明辉石的丰度从榴辉岩相向麻粒岩相转变过程中逐渐降低，伴随着熔体含量升高，此阶段深熔反应为Omp + Qz + Rt + Grt I = Melt + Grt II + Cpx ± Opx (图4)。
图4 中喜马拉雅榴辉岩变质演化过程中熔体和矿物相丰度变化
图5 中喜马拉雅榴辉岩熔融浅色体地球化学特征
基于中喜马拉雅麻粒岩化榴辉岩部分熔融的研究，我们认为绿辉石分解熔融是造成榴辉岩退变的潜在因素。绿辉石分解熔融是被忽略的榴辉岩的深熔机制，它常和含水矿物(如多硅白云母、绿帘石以及硬柱石)一起进入到熔体当中。实验岩石学证据表明绿辉石分解熔融主要以绿辉石中硬玉分子分解为主，形成低钠的辉石。并且辉石的Na和Al含量随温度升高其含量降低，指示硬玉分子分解进入到熔体。中喜马拉雅榴辉岩熔体高Na2O/K2O的特征则是继承了绿辉石中的硬玉分子 (图5)。
图6 榴辉岩熔融浅色体与TTG质岩石成分对比
绿辉石分解熔融也被认为是太古宙TTG形成的主要机制。中喜马拉雅榴辉岩深熔浅色体具有低的Nb/Ta和Zr/Sm比，与TTG的成分特征类似。另外，榴辉岩熔体具有高的Sr/Nb比和低的Nb、Y含量和Ce/Sr比值，与高压型TTG特征一致，而明显区别中压型和低压型TTG (图6)。鉴于中喜马拉雅榴辉岩与地球早期古老榴辉岩类似的变质演化轨迹以及榴辉岩熔体与高压型TTG成分特征的一致性，我们认为绿辉石分解熔融是造成地球早期高压记录破坏的潜在原因。
相关成果已发表在国际知名地学期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》，博士研究生刘帅奇为论文第一作者，张贵宾副教授为论文通讯作者，合作者包括北京大学张立飞教授以及香港大学A. Alexander G. Webb副教授。本研究受到国家自然科学基金(42372061、91755206、41972056、41622202)的资助。
论文信息：Liu, S.Q., Zhang, G.B., Zhang, L.F., & Webb, A. A. G. (2023). Omphacite melting and the destruction of early high-pressure rock records. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2023JB027395. https://doi.org/10.1029/2023JB027395
