由俯冲混杂岩的深度依赖性熔融作用产生的多样岩浆作用：来自西藏南部冈底斯带的证据

《Global and Planetary Change》：Diverse arc magmatism generated by depth-dependent melting of subducted mélange: Evidence from the Gangdese Belt, South Tibet

该研究通过 Namling 岩石和共时 adakitic-like 岩石的分析，揭示青藏高原南部晚白垩世弧岩浆岩的形成机制与传统的地幔楔部分熔融模型不同，提出混杂岩部分熔融的新模型，并论证了热 asthenosphere 上涌诱发的深部熔融过程对岩浆类型分化的控制作用。

　　

严浩宇|李杰|舒楚天|吴斌|艾哈迈德·伊斯梅尔|龙晓萍

中国苏州科技大学地理科学与地理信息工程学院，苏州215009

摘要

全球各地的俯冲带中都存在各种类型的弧岩浆岩。传统的变质楔熔融模型通常用于解释这些不同类型弧岩浆岩的形成过程。在该模型中，俯冲板块释放的流体或熔体使地幔楔发生变质，从而改变其地球化学成分。然而，晚白垩世南林辉长岩-正长岩套的地球化学数据，以及同期西藏南部的闪长岩或类闪长岩岩石，表明这些不同类型的弧岩浆岩并非由地幔楔部分熔融后形成的。相反，元素和同位素数据强烈支持“混合岩熔融”模型。这些物理混合的混合岩包含了来自洋基岩、沉积物和地幔楔橄榄岩的成分，它们被带到不同的深度，最终导致西藏南部晚白垩世不同类型的弧岩浆岩的形成。在相对较浅的深度，物理混合的混合岩发生部分熔融，产生了晚白垩世南林辉长岩-正长岩套中的正常弧岩浆，其残余矿物组合中不含石榴石；而在更深的深度，混合岩发生部分熔融，残余矿物组合中包含石榴石，可能形成了晚白垩世的闪长岩或类闪长岩。混合岩的熔融可能是由于晚白垩世北向俯冲的新特提斯洋板块退缩引起的热软流圈上升所导致的。因此，混合岩的部分熔融为全球俯冲带中不同类型弧岩浆岩的形成提供了另一种机制。

引言

普遍认为，全球俯冲带不仅有助于新大陆地壳的形成，还在将大量地壳物质回收到地球内部方面起着关键作用（例如，Plank, 2005; Tatsumi, 2006; Kelley and Cottrell, 2009; Ryan and Chauvel, 2014; Gaschnig et al., 2017）。这些回收的物质通常包括火成洋壳及其上覆的沉积物（例如，Plank and Langmuir, 1998; Gaschnig et al., 2017; Codillo et al., 2023）。与传统观点一致，这些成分与地幔楔橄榄岩一起被认为是弧岩浆岩的主要来源（例如，Stern and Kilian, 1996; Shimoda et al., 1998; Tatsumi, 2006; Gomez-Tuena et al., 2007; Petrone and Ferrari, 2008; Castro et al., 2010; Marschall and Schumacher, 2012; Straub et al., 2013, Straub et al., 2015; Nielsen and Marschall, 2017）。

原始弧岩浆的起源仍存在争议，有多种机制被提出以解释其成因（例如，Marschall and Schumacher, 2012; Rawson et al., 2016; Mullen et al., 2017; Lara and Dasgupta, 2020）。此外，包括岩浆混合、分异结晶和地壳污染在内的多种岩浆过程可能会显著改变原始弧岩浆的成分，从而增加了对其成因解释的复杂性（例如，Huang et al., 2008; Metcalfe et al., 2023）。尽管弧岩浆岩的形成涉及多个复杂的过程，但有两种对立的成因模型来解释原始弧岩浆岩的形成。第一种是传统的变质楔熔融模型，该模型通过“板块熔融/脱水后混合”的过程进行；第二种是“混合后熔融”模型（例如，Marschall and Schumacher, 2012; Nielsen and Marschall, 2017; Cruz-Uribe et al., 2018; Codillo et al., 2023; Hong et al., 2024; Shu et al., 2025）。后者认为，洋壳成分（包括洋基岩和沉积物）与俯冲带内的地幔楔橄榄岩在俯冲通道（地幔与俯冲板块之间的界面）中物理混合，形成混合水合混合岩（Marschall and Schumacher, 2012; Nielsen and Marschall, 2017; Codillo et al., 2023），这些混合岩随后部分熔融，形成弧岩浆（Marschall and Schumacher, 2012）。最近，实验岩石学和地球化学研究广泛支持了混合岩熔融模型（例如，Marschall and Schumacher, 2012; Hao et al., 2016, Hao et al., 2022, Hao et al., 2024; Nielsen and Marschall, 2017; Codillo et al., 2018, Codillo et al., 2023; Cruz-Uribe et al., 2018; Yan et al., 2019; Straub et al., 2020; Ma et al., 2021; Hong et al., 2024; Shu et al., 2025）。

由变质楔橄榄岩部分熔融形成的弧岩浆岩表现出多样的岩石类型（例如，Bourdon et al., 2003; Wang et al., 2008b; Feineman et al., 2013; Straub et al., 2013）。全面了解这些不同岩石类型的地球化学特征至关重要，因为它们通常在俯冲带的不同深度形成（例如，Gomez-Tuena et al., 2007; Wang et al., 2008b; Lin et al., 2013; Mallik et al., 2016）。然而，由混合岩部分熔融形成的弧岩浆也显示出多样的地球化学特征（例如，Nielsen and Marschall, 2017; Cruz-Uribe et al., 2018; Hao et al., 2022; Wang et al., 2022a）。实验岩石学结果最近证实，天然混合岩在不同的温度和压力条件下可以发生部分熔融，产生正常弧岩和高Sr/Y比的岩浆，从而证明了混合岩部分熔融在生成不同类型弧岩浆岩中的作用（Cruz-Uribe et al., 2018, Cruz-Uribe, 2023）。

从地球化学角度来看，Nielsen and Marschall（2017）推测，在俯冲带不同深度物理混合良好的混合岩部分熔融可能是产生不同类型弧岩浆（包括高Sr/Y比岩浆）的另一种途径。这表明，在俯冲过程中被带到不同深度的物理混合岩可能会经历不同的压力和温度条件，从而产生多样的弧岩浆。然而，物理混合良好的混合岩在不同深度是否能够产生不同类型的弧岩浆，仍然是一个未解决的问题。

西藏南部的拉萨地下区域含有大量晚白垩世的弧岩浆岩，这些岩石具有多样的地球化学特征（例如，Wen et al., 2008a, Wen et al., 2008b; Ji et al., 2009; Jiang et al., 2012, Jiang et al., 2014; Ma et al., 2013a, Ma et al., 2013b, Ma et al., 2013c; Zhang et al., 2010a, Zhang et al., 2014a, Zhang et al., 2019, Zhang et al., 2023, Zhang et al., 2024a, Zhang et al., 2024b; Zheng et al., 2014; Chen et al., 2015; Xu et al., 2015; Xie et al., 2018; Wu et al., 2018; Liu et al., 2019; Tang et al., 2019; Yin et al., 2020; Ding et al., 2022）。本研究重点关注拉萨地下区域的晚白垩世辉长岩-正长岩套及其同期闪长岩或类闪长岩，以更好地理解它们的成因。我们提供了南林地区晚白垩世正长岩体的全面岩石学、地质年代学、全岩地球化学和Sr-Nd同位素数据，并将这些新结果与之前发表的同期岩浆岩数据结合起来。通过这种综合方法，我们旨在确定这些不同的弧岩浆岩是否起源于俯冲带不同深度的变质楔或混合岩的部分熔融。

地质背景与岩浆历史

青藏高原现今的内部构造特征主要表现为显生宙期间几乎东西向的地块依次叠加在欧亚大陆板块的南部边缘（图1a；Yin and Harrison, 2000; Chung et al., 2005; Wang et al., 2008a, Wang et al., 2008b）。三个主要的异质地块——喜马拉雅、拉萨和羌塘——从南到北沿着东西走向排列。

分析方法

经过岩石学检查后，选择了新鲜且具有代表性的南林样品，对其主要元素和微量元素浓度、Sr-Nd同位素组成以及锆石U-Pb同位素年龄进行了分析。用于地球化学分析的样品在玛瑙研钵中研磨至约200目大小。对于U-Pb同位素分析，从两个代表性样品（15NML23和15NML24）中分离出锆石晶体进行原位U-Pb同位素分析。

全岩主要元素氧化物组成

锆石U-Pb地质年代学

选择了两个代表性的正长岩样品（15NML23和15NML24）进行锆石U-Pb测年。结果见表S1，并在图3中绘制。两个样品中的大多数锆石颗粒在阴极发光（CL）图像中显示出中等亮度，具有1:1到4:1的长度与宽度比，显示出颗粒状-棱柱状形态。分析的锆石颗粒具有弱振荡分带现象，且Th/U比较高（0.48至1.24；表S1），这是岩浆锆石的特征。

岩浆源的性质

最近的研究表明，晚白垩世的基性-中性侵入岩可能是来自拉萨地下区域相关岩浆的分异结晶产物（例如，Ma et al., 2013b; Xu et al., 2015）。如果南林正长岩和同一地区的辉长岩-辉长闪长岩是通过这些岩浆的早期结晶作用形成的，它们应该具有累积纹理。然而，这些样品显示出典型的岩浆特征

通过深度变化的混合岩熔融产生多样的弧岩浆

尽管全球代表性弧带的弧岩浆岩可能起源于物理混合的混合岩的部分熔融，但大多数弧岩浆岩并不具有与闪长岩或类闪长岩相似的地球化学特征（例如，Marschall and Schumacher, 2012; Hao et al., 2016, Hao et al., 2022, Hao et al., 2024; Nielsen and Marschall, 2017; Cruz-Uribe et al., 2018; Yan et al., 2019; Wang et al., 2022a）。这表明混合岩的熔融发生在相对较浅的深度

结论

根据南林正长岩的岩石学、地质年代学和地球化学数据，结合关于拉萨地下区域同期辉长岩、辉长闪长岩和闪长岩或类闪长岩的文献数据，我们得出以下结论：

(1)

锆石U-Pb测年表明南林正长岩形成于晚白垩世，大约在94.3–92.3百万年前。

(2)

南林辉长岩-正长岩套被归类为正常弧岩浆岩（缺乏闪长岩特征），

CRediT作者贡献声明

严浩宇：撰写初稿、审稿与编辑、调查、数据管理。李杰：撰写与编辑、验证、调查。舒楚天：撰写与编辑、验证、调查。吴斌：撰写与编辑、验证、调查。艾哈迈德·伊斯梅尔：撰写与编辑。龙晓萍：撰写与编辑、资金获取、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42425205）的支持。我们衷心感谢匿名审稿人的建设性意见以及编辑对本文的处理。