地球科学进展, 2021, 36(3): 288-306 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.035

综述与评述

俯冲带岩浆弧安山岩的成因研究进展

张晓智,, 周怀阳,, 钱生平

同济大学 海洋与地球科学学院,上海 200092

Reviews on Genesis of Magmatic Arc Andesite in Subduction Zone

ZHANG Xiaozhi,, ZHOU Huaiyang,, QIAN Shengping

School of Ocean and Earth Science,Tongji University,Shanghai 200092,China

通讯作者: 周怀阳(1961-),男,江苏常熟人,教授,主要从事海洋地质地球化学研究. E-mail:zhouhy@tongji.edu.cn

收稿日期: 2021-01-07   修回日期: 2021-02-27   网络出版日期: 2021-04-30

基金资助: 国家重点基础研究发展计划“西南印度洋洋中脊热液成矿过程与硫化物矿区预测”.  2012CB417300
国家自然科学基金重点项目“南海深海海底铁锰结核/结壳的成因和历史记录”.  91428207

Corresponding authors: ZHOU Huaiyang (1961-), male, Changshu City, Jiangsu Province, Professor. Research areas include marine geology and geochemistry. E-mail:zhouhy@tongji.edu.cn

Received: 2021-01-07   Revised: 2021-02-27   Online: 2021-04-30

作者简介 About authors

张晓智(1996-),男,河南信阳人,硕士研究生,主要从事岩石地球化学研究.E-mail:zghydxzxz@163.com

ZHANGXiaozhi(1996-),male,XinyangCity,HenanProvince,Masterstudent.Researchareasincludepetrologicalgeochemistry.E-mail:zghydxzxz@163.com

摘要

安山岩是俯冲带岩浆弧中重要的岩石类型,其成因至今仍是国际地质学界研究的热点之一。根据安山岩分布的地质背景,岩浆弧安山岩可以简单划分为陆弧安山岩和洋弧安山岩,二者在化学成分和空间分布等方面存在明显差异。自20世纪20年代末以来,大量的研究成果丰富了人们对岩浆弧安山岩成因的认识,逐渐将其归纳为玄武质岩浆输入和安山质岩浆输入2种模型。玄武质岩浆输入模型认为形成岩浆弧安山岩的初始岩浆成分为玄武质,强调分离结晶、同化混染和岩浆混合等壳内过程;而安山质岩浆输入模型认为地幔源区可以直接形成安山质熔体,强调俯冲板片来源的流体/熔体—地幔橄榄岩的交代反应和沉积物底辟等壳下过程。虽然岩浆弧安山岩的成因研究取得了一定的进展,但每一个模型都有亟待完善之处。地幔交代岩的实验岩石学研究、安山岩与大陆地壳形成与演化间的关系、理论计算和模拟的应用等都是未来需要研究的领域。

关键词: 安山岩 ; 岩浆弧 ; 俯冲带 ; 岩石成因

Abstract

Andesite is an important rock type in subduction zone magmatic arcs. Its genesis is still one of focuses on the international geological research. According to the tectonic setting of the andesite, magmatic arc andesite can be classified as continental arc andesite and oceanic arc andesite, which show different features in chemical composition and spatial distribution. Since the late 1920s, numerous researches have enriched our understanding of the genesis of magmatic arc andesite, which gradually can be summarized as Basalt-input model and Andesite-input model. The Basalt-input model considers the primary magma of magmatic arc andesite is basaltic, emphasizing the intra-crustal processes such as fractional crystallization, assimilation and contamination, and magma mixing. The Andesite-input model suggests andesitic melts can be formed directly in the mantle source, emphasizing the sub-crustal processes such as the metasomatic reaction between slab-derived fluid/melt and mantle peridotite, and rising of sediment diapirs. Although some progress has been made in the study of the genesis of magmatic arc andesite, each model still needs to be improved. There are many research fields to be studied in the future, including experimental petrology research of mantle metasomatite, relationship between andesite and the formation and evolution of continental crust, application of theoretical calculation and modelling and so on.

Keywords: Andesite ; Magmatic arc ; Subduction zone ; Petrogenesis.

PDF (6883KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

张晓智, 周怀阳, 钱生平. 俯冲带岩浆弧安山岩的成因研究进展. 地球科学进展[J], 2021, 36(3): 288-306 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.035

ZHANG Xiaozhi, ZHOU Huaiyang, QIAN Shengping. Reviews on Genesis of Magmatic Arc Andesite in Subduction Zone. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(3): 288-306 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.035

1 引 言

安山岩是汇聚板块边缘典型的岩石类型,创名于南美安第斯山脉,同时也是地球上最常见的火山岩类型,仅次于玄武岩1。根据SiO2含量的限制,国内外有关教材2~4和国际地科联1988年推荐的分类方案将安山岩定义为:SiO2质量百分含量介于52%~63%的中性火山岩。安山岩一般为斑状结构,其中主要的斑晶矿物组合为斜长石±辉石±角闪石±黑云母等,副矿物可以有磁铁矿、磷灰石和榍石等4

安山岩成因一直是国际地质学界研究的热点之一。Bowen5根据其著名的“鲍文反应序列”,认为玄武质岩浆的分离结晶作用会导致剩余岩浆中SiO2含量增加,岩石将由玄武岩依次演化为安山岩、英安岩和流纹岩。自此,“分离结晶”模式在很长的时间内引导了安山岩的成因研究。20世纪60年代,板块构造理论的诞生引起了地球科学领域的一场革命,为人们理解固体地球的物质结构与运动状态提供全新的视角6。板块构造理论的核心是岩石圈俯冲和大陆碰撞7,“如果没有俯冲带,就不会有板块构造”8。安山岩具有的弧型微量元素分布特征表明其成因与板片俯冲作用密切相关,故而俯冲板片来源的流体/熔体与地幔橄榄岩的相互作用也被用来解释安山岩的成因9~11。到70年代末,Eichelberger等12和Sakuyama13根据安山岩中不平衡的岩相学特征提出了“岩浆混合模式”,将安山岩解释为玄武质岩浆与流纹质岩浆混合作用的产物。同时,国际上相继开展的一系列熔融实验则集中探讨了含水地幔橄榄岩部分熔融形成原生安山质岩浆的可能,进一步丰富了安山岩的成因模式14~17。本文旨在总结前人对俯冲带岩浆弧安山岩的研究,系统介绍俯冲带岩浆弧安山岩的分布与组成特征,着重综述俯冲带岩浆弧安山岩成因的研究进展和存在的相关问题,并在此基础上提出进一步研究的简要展望,以期更全面准确地认识俯冲带岩浆弧安山岩的成因。

2 俯冲带的分类及相关岩浆弧安山岩的特征

根据俯冲作用所处的不同构造环境,国际地学界一般将俯冲作用分为B型(太平洋型大洋俯冲带)和A型(阿尔卑斯型大陆俯冲带)18。而基于俯冲带上盘的岩石性质,大洋俯冲带又可以细分为洋—洋俯冲带和洋—陆俯冲带(图1)。人们很早就认识到水在俯冲带岩浆活动中的重要地位19,俯冲板片释放的水无论以富水溶液还是含水熔体形式出现,都能够影响上覆地幔楔的物理化学性质,并且进一步的研究表明俯冲板片的脱水行为受到俯冲带热结构的支配20。大陆俯冲带的地温梯度较低,变质作用强烈并能形成高压—超高压变质带,却缺乏同俯冲的弧火山作用7。特别的是,在一些大陆俯冲带同样发育有安山质岩浆2122,它们记录了区域地壳增厚、岩石圈地幔拆沉、软流圈物质上涌和下地壳熔体—地幔橄榄岩交代反应等岩浆—构造事件。大洋俯冲带的地温梯度变化很大,在冷的大洋俯冲带,大部分水在弧下深度经由高压含水矿物的分解才被释放出来,为弧后岩浆作用提供水化的地幔源区。而在热的大洋俯冲带,俯冲板片在弧前深度就已释放大量的水,在上覆板片的前缘能够形成大范围的岩浆弧(Magmatic arc)23,安山岩往往是这些岩浆弧中的重要构成部分。

图1

图1   两种大洋俯冲带的示意图(据参考文献[11]修改)

(a)洋—陆俯冲带;(b)洋—洋俯冲带;主要展示发生在大洋俯冲带的一系列地质过程,诸如:俯冲板片的脱水作用/部分熔融、上覆地幔楔的交代变质与部分熔融、岩浆在地幔楔和地壳内的迁移以及地表岩石的风化、搬运、沉积等过程;值得一提的是,陆弧在更高的地势条件下,风化作用更加强烈,有更多的陆源沉积物组分在洋—陆俯冲带参与俯冲

Fig.1   Schematic diagrams of two types of oceanic subduction zonesmodified after reference [11])

Schematic diagrams of subduction zones of (a) Ocean-Continent subduction zone and (b) Ocean-Ocean subduction zone, showing a series of geological processes occurred in oceanic subduction zone: Metamorphic dehydration/partial melting of the subducting crust, crustal metasomatism of the mantle wedge, mantle melting and melt migration through the mantle wedge and the crust, weathering of the continental margin and transporting of the terrigenous sediment into subduction zones. Note that the terrigenous sediment is much more abundant in Ocean-Continent subduction zones than those Ocean-Ocean subduction zones owing to the severe weathering


2.1 洋—洋俯冲带与洋—陆俯冲带

洋—洋俯冲是指一个大洋岩石圈板块向另一个大洋岩石圈板块之下俯冲,在西太平洋边缘最为活跃。完整的洋—洋俯冲带通常包括俯冲板片、海沟外缘隆起、海沟、增生楔、地幔楔、上覆板片、弧前盆地、岩浆弧和弧后盆地等部分24。洋—洋俯冲带发育的岩浆弧建造在大洋岩石圈之上,一般称之为大洋弧(Oceanic arc)或洋内弧(Intra-oceanic arc),即洋弧25。全球新生代洋弧主要包括西太平洋边缘的伊豆—小笠原—马里亚纳弧、菲律宾—吕宋弧,西南太平洋的汤加—克马德克群岛,以及大西洋西缘的小安德烈斯和斯科舍弧等26。洋—洋俯冲环境远离大陆岩石圈,俯冲沉积物一般为远洋黏土、硅质岩和碳酸盐岩27,参与交代地幔楔的陆源组分含量低,可以形成更基性的岩浆成分28

洋—陆俯冲是指一个大洋岩石圈板块向另一个大陆岩石圈板块之下俯冲,在东太平洋边缘最为活跃。洋—陆俯冲发育的岩浆弧建造在大陆岩石圈之上,一般称之为活动大陆边缘弧(Active continental margin arc)或大陆弧(Continental arc),即陆弧25,主要包括南美的安第斯弧、北美的喀斯喀特弧以及东北印度洋的巽他弧等26。洋—陆俯冲带与洋—洋俯冲带的几何结构非常相近28,但不同的是洋—陆俯冲环境靠近大陆,俯冲沉积物除了远洋黏土、硅质岩和碳酸盐岩等,还包括陆源碎屑岩27,参与交代地幔楔的陆源组分含量更高,加之俯冲带上盘存在有较厚的大陆地壳,洋—陆俯冲带可以形成更酸性的岩浆成分7。此外,无论是在洋—陆俯冲带还是洋—洋俯冲带,俯冲带上盘物质都能在俯冲侵蚀作用下从弧前进入到地幔中29。最新的研究表明全球超过60%的汇聚板块边缘为侵蚀型,俯冲侵蚀作用在俯冲带壳幔物质循环过程中可能扮演着重要角色29

2.2 陆弧安山岩与洋弧安山岩

根据安山岩分布的岩浆弧性质差异,俯冲带岩浆弧安山岩可以简单地划分为陆弧安山岩和洋弧安山岩。基于Frisch等26对全球汇聚型板块构造边界的分类结果,本文收集了一系列典型的洋弧安山岩和陆弧安山岩的全岩以及火山玻璃数据,其中陆弧安山岩数据来源于安第斯弧(图2a)、喀斯喀特弧(图2b)和巽他弧(图2c),洋弧安山岩数据来源于伊豆—小笠原弧(图2d)、马里亚纳弧(图2e)和汤加弧(图2f)。数据筛选工作按照以下方法进行:剔除岩石类型中的脉岩、地幔包体、矿石、沉积岩和变质岩数据;剔除不完整和不合理的岩浆岩数据,如一些仅包括部分主量元素、元素含量明显超过岩浆岩可能范围的分析数据;经过挥发分校准后,对经过上述步骤获得的全岩及玻璃数据进行核密度函数估算(Kernel Density Estimations, KDEs)。

图2

图2   岩浆弧火山岩SiO2的核密度函数估算直方图

所有数据来自GEOROC数据库(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/);B:玄武岩,BA:玄武安山岩,A:安山岩,D:英安岩,R:流纹岩

Fig.2   Kernel Density Estimations histogram for SiO2 of igneous rocks in magmatic arcs

All the data from the GEOROC (http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/);B. Basalt, BA. Basaltic-Andesite, A. Andesite, D. Dacite, R. Rhyolite


为了比较安山岩在陆弧和洋弧中的分布概率,本文采用Rudge30的方法对收集的全岩和玻璃数据进行核密度估算。由图2可知,陆弧和洋弧发育的岩浆作用存在明显差异,尤其体现在发育的岩石类型上。陆弧主要发育的是玄武安山岩、安山岩和英安岩等偏中酸性岩石;而在洋弧主要发育的是玄武岩和玄武安山岩等偏基性岩石31,伊豆—小笠原弧岩浆岩更是具有双峰式的分布特征,中性岩浆岩发育较少。总的来看,安山岩在陆弧的分布概率要高于洋弧地区。造成这样差异的原因,除了俯冲陆源组分通量的不同外32,可能也与板片俯冲的角度有关2633。以环太平洋弧为例,在西太平洋边缘,老的俯冲板片密度相对大,俯冲角度大,俯冲板片与上覆板片的耦合程度低,俯冲板片发生回卷,引发了软流圈物质的大规模上涌形成基性岩浆28。而在东太平洋边缘,年轻的俯冲板片密度相对低且以低角度俯冲为主,俯冲板片与上覆板片紧紧耦合,软流圈地幔楔不明显,同时在上覆大陆地壳的影响下,最后形成的岩浆成分更加酸性28

不同岩浆弧安山岩的矿物学特征略有差异。Ishizuka等34报道的伊豆—小笠原弧安山岩主要为辉石安山岩,含有单斜辉石、斜方辉石和斜长石斑晶,斑晶矿物具有明显的反应边结构,如斜方辉石边缘可见单斜辉石的反应边。马里亚纳弧前区分布的安山岩主要为角闪安山岩,斑晶含量高达25%,主要由自形的角闪石(约3 mm)、单斜辉石(约1 mm)和斜长石(约1 mm)组成35,斜长石斑晶具有正常的成分环带结构。汤加弧Tofua火山形成的玄武安山岩为隐晶质(aphyric)结构,岩石中存在的少量橄榄石(Fo83~88)被解释为加入到岩浆中的循环晶(antecrystic)36。在安第斯火山岩带的厄瓜多尔安山岩中则存在不平衡的矿物学特征,斜长石(An47~78)中出现复杂的震荡环带结构、反环带结构和筛状熔蚀结构10。Sas等37报道的喀斯喀特弧安山岩斑晶矿物组合为单斜辉石+斜长石+橄榄石+斜方辉石,其中单斜辉石斑晶往往出现浑圆状、港湾状和筛状熔蚀结构。巽他弧巴图尔火山区斑晶矿物除了单斜辉石、斜方辉石和斜长石外,还有少量的钛铁矿,副矿物磷灰石以包裹体的形式存在于斜长石斑晶中38。总之,岩浆弧安山岩多为斑状结构,但橄榄石斑晶的含量却很低;岩石中也常出现不平衡的矿物特征,暗示岩浆在开放体系中的演化过程,如地壳混染、岩浆混合和多期次岩浆补给等。

俯冲带岩浆弧安山岩具有复杂的地球化学特征。相对于原始陆弧玄武岩和洋弧玄武岩31,陆弧安山岩和洋弧安山岩具有较高的SiO2、Al2O3、Na2O+K2O含量,较低的FeOT、MgO和CaO含量(表1),暗示它们并没有和地幔橄榄岩达到平衡,很难直接形成自正常地幔橄榄岩的部分熔融39。此外,陆弧安山岩和洋弧安山岩呈现明显的弧型微量元素分布特征,与原始陆弧玄武岩和洋弧玄武岩相似,富集Ba-K-Sr等大离子亲石元素(Large Ion Lithophile Elements,LILE)、亏损Nb-Ta-Ti等高场强元素(High Field Strength Elements,HFSE)(图3a),表明其成因与板块的俯冲活动息息相关。其中,陆弧安山岩比洋弧安山岩具有更高的不相容微量元素含量,更加富集LILE和轻稀土元素(Light Rare Earth Elements,LREE),这可能与陆弧与洋弧间俯冲组分加入的通量、地幔楔的亏损程度以及同化上覆地壳围岩的程度不同有关。这也体现在陆弧安山岩和洋弧安山岩的同位素组成上。陆弧安山岩,尤其是安第斯弧,比洋弧安山岩具有更加富集的Sr-Nd同位素组成(表1),表现为87Sr/86Sr、143Nd/144Nd同位素组成变化范围更大(图3b),说明陆弧安山岩的源区组成更加富集。

表1   部分典型岩浆弧安山岩的平均化学组成

Table 1  Average chemical compositions of andesites in several typical magmatic arcs

元素安第斯弧喀斯喀特弧巽他弧伊豆—小笠原弧马里亚纳弧汤加弧OAB*CAB*
n=6 328n=1 932n=1 069n=3 170n=628n=1 153n=503n=497
SiO2/%58.0257.4356.1455.7856.0855.5350.4651.33
TiO20.981.060.820.950.830.880.910.98
Al2O317.0117.3818.4014.9715.9215.7715.7215.70
FeOT6.786.767.3510.588.919.688.528.72
MnO0.120.120.170.200.160.180.170.17
MgO3.724.243.144.774.974.799.849.48
CaO6.487.067.758.418.459.1911.449.93
Na2O1.941.461.872.752.992.542.352.61
K2O3.883.973.510.610.830.660.450.88
P2O50.280.280.250.120.140.180.150.22
Na2O+K2O5.825.435.383.363.823.202.803.49
Mg#48.4951.5642.7142.7046.7645.6166.2965.24
Rb/(×10-6)58.7233.8861.2711.5215.6012.289.8918.63
Sr592.32664.46482.39211.17250.69278.73306.74425.70
Y19.5921.2227.5123.5424.9722.4919.4718.69
Nb9.349.257.291.172.421.803.996.23
Ta0.910.570.410.120.160.090.240.45
La24.5520.0327.136.396.914.637.0111.85
Yb1.731.762.482.392.762.141.861.82
Sr/Y30.2331.3217.548.9710.0412.3915.7522.78
La/Yb14.1811.3810.952.682.512.163.776.51
87Sr/86Sr0.705550.704190.705020.703660.703450.703570.703890.70401
143Nd/144Nd0.512610.512750.512740.513050.513030.513000.512980.51292

注:OAB*(Oceanic Arc Basalts)、CAB*(Continental Arc Basalts)代表Kelemen等[31]统计的Mg#>60的原始(primitive)洋弧玄武岩、陆弧玄武岩的平均化学组成;岩浆弧安山岩数据来自GEOROC数据库(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/)

新窗口打开| 下载CSV


图3

图3   部分典型岩浆弧安山岩的微量元素分配图和Sr-Nd同位素图解

(a)陆弧安山岩和洋弧安山岩的原始地幔标准化微量元素配分曲线(标准化值据参考文献[40]);(b)陆弧安山岩和洋弧安山岩的Sr-Nd同位素图解;所有数据来自GEOROC数据库(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/)

Fig.3   Trace element distribution and Sr-Nd isotope compositions diagrams of andesites in several typical magmatic arcs

(a) Primitive normalized trace element patterns for continental arc andesites and oceanic arc andesites (normalization values from reference [40]);(b) The Sr and Nd isotope compositions of continental arc andesites and oceanic arc andesites;All the data from the GEOROC (http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/)


3 岩浆弧安山岩的成因

目前,岩浆弧安山岩的成因模型主要有玄武质岩浆输入模型和安山质岩浆输入模型。前者认为玄武质熔体在地壳内经过一系列分异演化过程形成岩浆弧安山岩;后者认为岩浆弧安山岩直接来源于地幔源区的部分熔融,这两种模式的根本区别是形成岩浆弧安山岩初始岩浆成分的差别。

3.1 玄武质岩浆输入模型

玄武质岩浆输入模型认为幔源初始岩浆成分为玄武质,岩浆在上升过程中经过分离结晶、同化混染、岩浆混合等一系列的壳内过程,最终形成岩浆弧安山岩4142

岩石学实验证明玄武质岩浆的分离结晶可以形成安山岩43~45,而且矿物的结晶序列也决定了玄武质岩浆的化学成分演化趋势。Sisson等43在低压(200 MPa)、低氧逸度(Nickel-Nickel Oxide,NNO)和无水条件下的实验表明,高铝玄武质岩浆液相线中首先出现的矿物为斜长石或者斜长石和橄榄石,岩浆的结晶分异呈现富铁的拉斑玄武岩趋势,无法形成大规模的钙碱性安山岩。但在水饱和(P=Ptotal=200~400 MPa)和NNO的条件下,玄武质岩浆通过橄榄石+单斜辉石±斜长石(An60~90)+角闪石±紫苏辉石的分离结晶(图4)可以形成钙碱性安山岩。据此,Grove等45强调了水在控制玄武质岩浆分离结晶趋势中的重要性:一方面,在水饱和的条件下,斜长石的稳定性降低,结晶过程受到抑制,橄榄石和单斜辉石的首晶区扩大;另一方面,虽然水降低了主要硅酸盐矿物的结晶温度,但对一些氧化物(如磁铁矿)的影响甚微,所以此时镁铁质矿物先于斜长石晶出,残余的岩浆向富硅富碱的钙碱性安山质岩浆演化。此外,在高压条件(1.2 GPa)下含水玄武质岩浆也可以通过石榴子石、单斜辉石和角闪石的分离结晶形成安山岩44。根据这些岩石学实验的结果,如果不考虑岩浆源区的影响,Annen等46认为这些富Al矿物(斜长石、石榴子石和角闪石等)的分离结晶是导致安山岩Al2O3富集程度有限(<19%)的主要原因。岩浆成分的模拟研究进一步证明了分离结晶在安山岩形成过程中所发挥的重要作用。Lee等41运用Rhyolite-MELTS软件模拟了岩浆弧岩浆在不同温压条件下的演化路径,并与岩浆弧中性岩中的包裹体成分进行比较,发现岩浆演化过程中Zr和P2O5不同步的饱和现象,玄武质岩浆中锆石和磷灰石的分离结晶可以很好地解释这一现象。

图4

图4   两种玄武岩的相平衡实验结果

(a, c)温度—SiO2; (b, d)温度—晶体百分比;(a)和(c)图中数字代表当前温度下结晶矿物的总含量; plag:斜长石;tmte:钛磁铁矿;olivine:橄榄石;augite:普通辉石;opx:斜方辉石;garnet:石榴子石;hbde:角闪石;数据来源:(a)和(b)数据来自参考文献[43];(c)和(d)数据来自参考文献[44];(a)和(b)展示Sisson等[43]在200 MPa、水饱和(质量百分含量为4.9%)条件下的玄武岩相平衡实验的结果;(c)和(d)展示Muntener等[44]在1.2 GPa、富水(质量百分含量为5.0%)条件下玄武岩相平衡实验的结果

Fig.4   Plots of the phase-equilibrium experiment results for two types of basalts

(a, c) Temperature versus SiO2; (b, d) Temperature versus Crystal percentage; The figures in the plots (a) and (c) represent the total amount of crystallization minerals at the current temperature. plag:Plagioclase; tmte:Titanomagnetite; olivine:Olivine; augite:Augite; opx:Orthopyroxene; garnet:Garnet; hbde:Hornblende. Data of plots (a) and (b) from reference [43]; Data of plots (c) and (d) from reference [44]. Plots (a) and (b) show the result of basalt phase-equilibrium experiment at 200 MPa, water saturation (4.9 wt.%) by Sisson et al.[43]; Plots (c) and (d) show the result of basalt phase-equilibrium experiment at 1.2 GPa、high water content (5.0 wt.%) by Muntener et al.[44]


尽管分离结晶可能在安山岩的形成过程中起到重要作用,但岩浆单纯的分离结晶作用无法解释部分岩浆弧安山岩和共生的玄武岩间同位素的系统差异31。陆弧安山岩一般比大洋弧玄武岩具有更富集的放射性同位素组成31,与大陆地壳呈现良好的亲缘性,从而部分学者认为幔源玄武质岩浆在向上运移过程中同化了地壳围岩,对此主要有AFC(Assimilation and Fractional Crystallization)47和MASH(Melting, Assimilation, Storage and Hybridization)48两种模式。AFC模式认为玄武质岩浆上升侵位过程中,分离结晶的同时同化地壳围岩。岩浆的分异指数(如SiO2含量)与放射性同位素比值[如(87Sr/86Sr)i,锶同位素初始比值]的正相关协变关系常被用来指示AFC过程47,然而在一些岩浆弧共生的基性—中酸性火山岩序列中,这种协变关系却并不明显49。并且在像安第斯弧这样岩浆作用持续时间能够长达上亿年的岩浆弧50,如果陆弧安山岩富集的放射性同位素特征来源于“老地壳”的同化混染,随着“老地壳”的不断消耗,晚期形成的安山岩的同位素富集程度将会降低11,而在安第斯弧中却并未发现这种现象50。此外,陆弧安山岩中出现的地壳捕虏体(crustal xenoliths)也被认为是幔源岩浆同化地壳围岩的岩石学证据5152。地壳捕虏体与岩浆弧火山岩成分的相似性暗示了岩浆活动中AFC过程的存在,但对这一过程的约束有赖于对岩浆弧地壳岩石的矿物学特征和同位素组成以及原始岩浆成分的进一步研究52。MASH模式最早被用来解释智利中部的安第斯弧岩浆活动,强调幔源玄武质岩浆上升到大陆岩石圈莫霍深度时,熔融、同化下地壳岩石,随后各种熔体的混合达到均一化形成安山岩48。但是大陆岩石圈莫霍面的温度一般为450~650 ℃,远低于镁铁质熔体的固相线温度1 000~1 300 ℃,玄武质岩浆在冷却过程很难与下地壳发生大规模的同化混染32。再者,AFC和MASH模式都不能很好地解释某些岩浆弧安山岩中富集组分的由来,如Jacques等53对智利中南部火山带层火山的岩浆岩研究表明岩石普遍具有低的δ18O值,富集流体活动元素(U、Pb和Ba),说明它们没有经过明显的地壳混染,更可能是岩浆源区受到了俯冲板片释放的流体的交代作用53

特别的是,近年来的研究表明一些大洋岩石圈中存在古老的大陆碎块25,洋弧安山岩的形成过程中可能也并不能排除地壳混染的影响。在西南太平洋Vanuatu弧新生代的安山岩中发现的太古代—古生代锆石表明Vanuatu弧下存在古老的结晶基底,Nd同位素的端元模拟计算表明岩浆在上升过程中大约混染了3%的地壳物质54。无独有偶,Shao等55在北吕宋岛弧—中国台湾东部海岸山脉中新世的岩浆岩中发现了具有华南大陆亲缘性的继承性锆石,作者认为由于南海的打开,导致微陆块从华南大陆上裂解,后北漂迁移到现今中国台湾东部海岸山脉下,这些继承性锆石来源于从华南大陆上裂解下的微陆块。对这些安山岩Sr-Nd同位素的两端元混合模拟研究表明,源于亏损地幔楔的母岩浆在上升过程中发生了结晶分异,并伴随高达5%的地壳混染56。需要指出的是,一方面,古老继承性锆石参与到岩浆弧火山活动的途径是多种多样的,除了在AFC过程中被捕获加入岩浆外,还能够和俯冲洋壳一起进入地幔,后随迅速上升的镁铁质熔体侵入到岩浆弧地壳中57;数值模拟研究表明年轻的俯冲大洋板片熔融时能够形成热—化学性质不稳定的冷羽流(cold plumes)58,这些冷羽流也可以携带沉积物中的古老锆石底辟进入上覆地幔楔59。另一方面,采用多端元混合模拟计算地壳组分的贡献量时,计算结果依赖端元组分的选择,往往具有一定的不确定性,甚至无法与其他地球化学数据吻合54,此时可能正如Buys等54所说,俯冲板片来源的物质也参与到安山岩的形成过程中。

幔源玄武质岩浆与壳源长英质岩浆的混合也被认为是安山岩可能的形成机制4260。应当说明岩浆混合作用包括机械混合(Magma mingling)和化学混合(Magma mixing)61,前者是指岩浆只是在微观尺度上不均一的物理混合,后者是指岩浆在混合后能够达到化学成分的均一化62,岩浆混合过程中常伴随二者的共同作用,故使用广义的“混合”一词63。岩浆混合形成的安山岩最典型的特征是出现不平衡的矿物结构和组合(表2)。这些造岩矿物的部分元素在熔体中具有很小的扩散系数,如斜长石(NaSi-CaAl)和辉石(Fe-Mg-Ca),可以在岩浆演化过程中记录与之平衡的熔体的物理化学条件,进而为识别不同成分、期次的岩浆提供了可能46。单矿物和熔体包裹体的成分研究同样证明岩浆混合在安山岩形成过程中的重要作用606978。根据扩散动力学理论,Lesher79强调由于原子结构的不同,主量元素在岩浆混合过程中的交换、均一化过程要远慢于同位素,而Sr-Nd-Pb等同位素可在原来的分子结构上直接交换,在岩石、矿物中更易出现大范围的分布。岩浆弧安山岩中斜长石斑晶从核部到边部87Sr/86Sr具有明显的变化69788081,说明在斜长石的形成过程中,可能有多个来源岩浆的加入。来自不同源区的岩浆锆石具有不同的Hf同位素组成:亏损地幔的176Hf/177Hf值较大,来自亏损地幔的岩浆锆石εHft)为正值或零;古老地壳的76Hf/177Hf值相对较小,古地壳来源的岩浆锆石εHft)则为负值82,因此岩浆锆石Hf同位素特征成为识别安山岩成因中不同源区岩浆的有效指标。Wan等83对中国台湾北部基隆火山群的安山岩分析揭示了岩石微尺度上的不均一性,岩石中岩浆锆石与继承性锆石具有不同的Hf-O同位素特征,同时在部分岩浆锆石中也出现有与寄主岩石成分不同的酸性熔体包裹体。Wan等83认为这反映了幔源岩浆在侵位过程中受到地壳物质的混染,或者幔源基性岩浆与俯冲沉积物熔融形成的长英质岩浆的混合。根据不同斑晶矿物中熔体包裹体成分的差异,Zhu等60认为幔源的玄武质岩浆侵入下地壳导致地壳部分熔融形成长英质岩浆,这两种岩浆发生混合形成安山质岩浆。随后,安山质岩浆向上运移并在浅部岩浆房中结晶出大量斜长石和角闪石斑晶。Reubi等42对全球主要岩浆弧火山岩和熔体包裹体成分的统计结果也表明虽然安山岩在岩浆弧中广泛分布,但熔体包裹体的主要成分却是镁铁质和长英质,暗示安山岩可能来自幔源玄武质岩浆和壳源长英质岩浆的混合。但是,正如Lee等41所强调的这项工作采样时存在系统偏差,由于统计的包裹体的寄主矿物主要是橄榄石和石英,熔体包裹体成分的双峰分布可能是必然的。此外,岩浆混合成因的安山岩在主微量元素之间能够形成一定的线性相关关系,然而在Lee等41和Keller等84的统计数据中却并不存在这种相关关系,岩浆混合作用虽然可能在安山岩的形成过程中普遍存在,但并不一定是安山岩成因的主导作用。

表2   不平衡的矿物结构、成分和组合示意图及解释[64~77]

Table 2  Schematic representations and interpretation of some disequilibrious mineral micro-textures, composition and assemblages[64~77]

矿物结构特征描述形成机制参考文献
T1-尘状熔蚀结构(Fine-sieve):许多紧密定向排列的玻璃包裹体在斜长石中形成一种模糊的“尘状”表面斜长石在更富Ca、更高温的熔体中被部分熔蚀,直到熔体—晶体界面重新达到平衡发生重结晶[64,65]
T2-复杂环带结构:斜长石相邻环带间成分变化剧烈(ΔAn>10%)内层环带和外层环带往往为“不整合”接触基性岩浆的多期次补给与岩浆混合作用[66,67]
T3-斜长石An变化范围较大,在频率分布直方图上出现双峰分布多种组分的岩浆混合形成成分变化剧烈的斜长石系列[68,69]
T4-角闪石的“分解反应”:晶体被分解成细粒的不透明物质,但仍保持其特有的晶形外来基性岩浆的混合使得岩浆温度迅速升高,超过了角闪石的稳定范围,相比降压作用角闪石发生更大规模的分解反应[70,71]
T5-具核—幔—边结构的“绿核”辉石:幔部相比核部及边部具有更高的Mg#,形成明显的反环带结构,两者界线清晰,成分上存在突变偏基性岩浆注入岩浆房后,岩浆发生大规模扩散之前形成了更加富Mg的幔部辉石[72~74]
T6-异常的包裹结构:与鲍文反应序列相反,辉石晶体包裹着角闪石晶体,两者光性连续外来基性岩浆的混合使得岩浆成分和温度发生了突变[71,75]
T7-不平衡的矿物组合:橄榄石+石英;低Mg#单斜辉石+高Mg#橄榄石酸性端元岩浆和基性端元岩浆的混合作用[68,76,77]

新窗口打开| 下载CSV


3.2 安山质岩浆输入模型

安山质岩浆输入模型认为岩浆弧下富集地幔源区可以直接熔融形成安山质熔体,其机制一般包括:含水地幔橄榄岩的部分熔融1785俯冲板片的部分熔融及其熔体—橄榄岩反应31板源熔体与地幔橄榄岩反应形成的交代岩(如硅过剩的辉石岩)的部分熔融11俯冲沉积物底辟至地幔楔上部后发生部分熔融并与橄榄岩反应86,即底辟模型。

20世纪60~70年代,国际上相继开展了一系列橄榄岩—水体系熔融实验,证明含水地幔橄榄岩部分熔融形成原生安山质岩浆的可能8788。虽然大量地幔橄榄岩的熔融实验获得的是玄武质熔体(图5),但相比干的条件下,地幔橄榄岩含水熔融能够产生更加富硅的岩浆1785。Hirose17对二辉橄榄岩在1 GPa下不同温度范围内进行了含水熔融实验,在1 000和1 050 ℃下,获得的淬火玻璃成分为安山质,而超过1 300 ℃的高温条件下仅获得了玄武质成分的淬火玻璃。Tatsumi92对日本天然高镁安山岩进行了熔融实验,发现获得的熔体能够与地幔橄榄石和斜方辉石达到平衡,进一步证明了含水地幔橄榄岩熔融可以直接形成安山岩。Mitchell等85在不同温压条件下对富水地幔橄榄岩的熔融实验得到了类似的结果,说明含水地幔橄榄岩的大比例部分熔融可以形成安山质熔体,但却需要满足严苛的条件:部分熔融的温度和压力很低(小于1 100 ℃,1 GPa)、要在接近水的饱和环境下、残留的地幔橄榄岩为难熔的方辉橄榄岩1793。但是,Grove等94的高压高温实验表明,板片熔体交代的富水地幔橄榄岩在3.2 GPa的高压下也能熔融形成富硅的安山质熔体,而且他们进一步发现这些代表深部高压环境的幔源安山质熔体加入到Mitchell等85实验中的浅部低压环境的熔体后,熔体成分能够很好地与岩浆弧原始安山岩的成分相匹配。类似的,Lara等95的熔融实验表明在2 GPa、水饱和的条件下,板片熔体交代的地幔橄榄岩同样可以熔融形成安山质熔体。这些熔融实验说明地幔橄榄岩能够在很大的压力范围内(1~3.5 GPa)形成安山质熔体,但是岩浆弧中由地幔熔融形成的原始安山岩却并不常见,可能是因为在高温的地幔环境中,很难达到流体饱和的熔融条件,而即使在相对低温的地幔楔底部熔融形成了原始安山质熔体,它们在上升穿过地幔楔的过程中也可能与更热的地幔橄榄岩反应形成玄武岩或者玄武安山岩95。另外,值得一提的是含水地幔橄榄岩形成的安山质岩浆通常具有很高的MgO含量和Mg#(65~80),而陆弧安山岩和洋弧安山岩的Mg#却普遍低于这些高镁安山质岩浆(图5)。需要强调的是,在这些高温高压反应中,高温熔体与实验装置长期的相互作用以及淬火晶体的生长都会影响熔体中铁的含量95,使得实验熔体的Mg#具有一定的误差。此外,考虑到Th和LREE在含水流体中的迁移能力有限96,该模式也无法解释陆弧安山岩富集熔体活动元素的特点。也就是说,地幔橄榄岩含水熔融直接生成大规模的岩浆弧安山岩的可能性较低。

图5

图5   地幔橄榄岩熔体与岩浆弧安山岩Mg#的比较

(a,b)5种不同地幔橄榄岩的熔融:(a)压力—温度,(b)SiO2—Mg#;(c,d)岩浆弧安山岩Mg#的KDES曲线图:(c)陆弧安山岩,(d)洋弧安山岩;KLB-1*、HK-66在干的条件下熔融,其余在含水条件下熔融;地幔橄榄岩熔体数据来源:KLB-1*,HK-66来自参考文献[89],KLB-1来自参考文献[16,17],PHN1611来自参考文献[90],MM3来自参考文献[91],H&Z来自参考文献[85],岩浆弧安山岩数据来自GEOROC数据库(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/)

Fig.5   A comparison of Mg# between the mantle peridotite melts and andesites in the magmatic arcs

(a, b) Partial melts derived from five types of mantle peridotites, (a)Pressure versus temperature, (b)SiO2 versus Mg#; (c, d) KDES diagram for Mg# of andesites in magmatic arcs, (c)Continental arc andesites, (d)Oceanic arc andesites; All melts derived from hydrous mantle peridotites except KLB-1* and HK-66; KLB-1* and HK-66 from reference [89], KLB-1 from references [16,17], PHN1611 from reference [90], MM3 from reference [91], H&Z from reference [85], data of magmatic arc andesites from the GEOROC (http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/)


早在20世纪70年代末,人们就认识到俯冲板片熔融形成安山岩的可能。Green等97的熔融实验表明俯冲板片在榴辉岩相附近的条件下可以无水熔融形成富硅(约63%)的钙碱性安山质岩浆,却需要异常的高温(1 400 ℃)环境。这项工作随后被质疑与俯冲带的热结构矛盾98,加之与后续实验结果的差异99,俯冲板片熔融形成安山岩的提议暂时被搁置。20世纪90年代,岩浆弧埃达克岩的发现丰富了人们对岩浆弧火山岩系列的认识100,俯冲板片的确可能是汇聚板块边界岩浆的来源之一101。尽管早期的热力学研究表明除了在某些具有异常高地热梯度的构造背景下,俯冲板片很难发生熔融102。但Syracuse等103认为俯冲板片在接近与地幔耦合的深度(50~80 km)时,由于机械耦合与剪切热,板片—地幔界面会出现相对剧烈的温度上升,他们对全球俯冲带热结构模拟的结果表明很多板片表面的P-T轨迹在弧下深度略高于泥质岩和玄武岩的湿固相线,说明板片熔融的现象可能比以往认识的更为普遍。而后续在阿留申群岛9、墨西哥Baja地区104、秦岭三岔子105、加拿大苏必利尔省绿岩带106、所罗门群岛107、西藏羌塘108和日本西南中涂地区109相继发现了具有埃达克岩地球化学特征的安山岩,表明俯冲板片熔体对安山岩的成因有一定的贡献。与板片熔体相比,这些安山岩具有更高的MgO和Mg#值,更低的SiO2含量,这是因为热的年轻的洋壳俯冲时部分熔融形成的熔体受到了地幔橄榄岩的改造,橄榄石在与熔体的相互作用中分解形成斜方辉石,熔体MgO的含量随之升高110。在橄榄石中发现的埃达克质包裹体111以及地球化学模型计算的结果109都证实板片熔体—地幔的交代过程。但是板片熔融形成的埃达克岩具有独特的地球化学特征,如较高的Sr/Y和(La/Yb)N值、极低的Y和Yb含量100112,而在大部分岩浆弧安山岩却并没有呈现这种特征(图6)。Kelemen等31通过质量平衡模型模拟表明板片熔体与地幔橄榄岩的比例控制着所形成岩浆岩的地球化学特征,若板片熔体/地幔橄榄岩远小于1,形成的火山岩不会出现埃达克岩的特征。但实验岩石学表明当板片熔体/地幔橄榄岩小于1,所有的板片熔体都会在与地幔橄榄岩的反应中被消耗掉,从而无法喷出地表形成安山岩113。安山岩在陆弧分布的概率要高于洋弧,如果将其归因于俯冲板片熔体贡献量的差异,那么意味着陆弧下的地温梯度要明显高于洋弧11,但目前对陆弧和洋弧结构的研究结果却并不支持这种假设103114。所以,这个模型可能更加适合解释某些特定类型的安山岩成因,比如埃达克型高镁安山岩。

图6

图6   岩浆弧安山岩微量元素关系图解

(a, b) Y-Sr/Y图解,(c, d)球粒陨石标准化的(Yb)N-(La/Yb)N图解(标准化值来自参考文献[40]);图中虚线圈定的区域为Defant等[100]界定的埃达克岩成分范围;岩浆弧安山岩数据来自GEOROC数据库(http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/);在MATLAB内以3为区间长度,计算了每个区间内数据的平均值与标准误差

Fig.6   Diagrams of trace element relationships for the magmatic arc andesites

(a, b) Plots of Y versus Sr/Y, (c,d) Plots of chondrite-normalized (Yb)N versus (La/Yb)N (normalization values from reference [40]). The area delineated by the dotted line is the composition field of adakite according to Defant et al.[100], Data of magmatic arc andesites from the GEOROC (http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc/). Taking 3 as interval length in MATLAB, the average value and standard error of data in each interval are calculated


地幔交代岩熔融形成安山岩的概念模型也由来已久,Nicholls等115很早就提出俯冲板片熔融形成的酸性熔体能够与地幔橄榄岩发生反应形成辉石岩,这些辉石岩在底辟作用下上升到浅部热的地幔楔发生熔融,形成以安山质熔体为主的钙碱性岩浆。在这个模型的启示下,Straub等116通过研究墨西哥中部火山带的高镁安山岩中富Ni橄榄石的He同位素特征,认为高镁玄武质熔体和高镁英安质熔体在地幔源区的混合可以形成安山质熔体,其中这两种熔体分别来自贫硅的辉石岩117和富硅的辉石岩113。此外,这个模型也被成功地用来解释长江中下游晚中生代安山岩的成因11118。研究表明,长江中下游地区早白垩世安山岩不仅具有弧型微量元素分布特征,而且具有富集的Sr-Nd-Hf和更高的放射成因Pb同位素特征,明显富集一些熔体活动元素(Th,LREE)。据此,Chen等11强调大量俯冲沉积物熔体与地幔橄榄岩反应形成含水富硅的镁铁质地幔交代岩,如辉石岩,而安山质熔体直接来自这些地幔交代岩的部分熔融。此外,Chen等119通过统计已发表的相关数据,系统对比分析了南美安第斯弧各个火山带第四纪岩浆岩的地球化学特征,结果发现与亏损地幔相比,各个火山带中安山岩中熔体活动元素和Sr-Nd同位素组成均出现不同程度的富集。进一步的正演模拟表明,地幔交代岩的部分熔融可以很好地解释安第斯弧安山岩的地球化学特征(图7),而不同火山带或同一火山带中安山岩成分的差异可能与岩浆源区加入的板源长英质熔体的通量不同有关。但是,这个模型仍有一些关键问题需要解决。交代成因的辉石岩形成的熔体能否具有安山岩的主量元素特征?现今对这个问题还没有确切的结论。尽管岩石学家已对贫硅或富硅的辉石岩开展了详细的熔融实验,但这些辉石岩并不是板片熔体—地幔橄榄岩的反应产物119120,在这里可能不具备相对应的地质意义。目前,仅有Sobolev等121报道通过熔融交代成因辉石岩获得了安山质熔体。再者,这些交代辉石岩的熔融机制仍不明确。部分学者认为,低密度的交代辉石岩可以通过底辟上升到浅部热的地幔楔发生熔融115或是俯冲板片将辉石岩拖曳到更高温高压的区域发生熔融122,亦或是板片回卷导致软流圈物质上涌诱发熔融123,但是在没有足够的实验岩石学数据支撑和俯冲带复杂的热结构背景下,交代辉石岩的熔融机制还未得到很好解决。总之,仍需要开展足够多的地幔交代岩的岩石学实验,结合当下对俯冲带热结构的研究成果,限制地幔交代岩的熔体成分与熔融机制。

图7

图7   地幔交代岩熔融形成安山岩的概念模型图解(据参考文献[119]修改)

展示了地幔交代岩熔融形成安山岩关键的4个步骤:俯冲洋壳在弧前深度脱水;俯冲洋壳与俯冲沉积物在弧下深度部分熔融;富水的长英质熔体与地幔楔橄榄岩反应形成镁铁质—超镁铁质的交代岩;玄武质交代岩部分熔融形成安山质熔体,可能的熔融机制包括:地幔交代岩的底辟上升(4a),板片的拖曳作用(4b)以及板片的回卷作用(4c)[119]

Fig.7   Schematic diagram of conceptual model of andesite formed by melting of mantle metasomatitesmodified after reference [119])

Schematic diagram showing the four key steps for origin of andesites by melting of mantle metasomatites: Dehydration of the subducting oceanic crust at forearc depths; Partial melting of the subducting sediment and altered oceanic basalt at subarc depths; Reaction of the hydrous felsic melts with the mantle wedge peridotite to generate the mafic-ultramafic metasomatites; Partial melting of basaltic metasomatites to produce the andesitic melts, the possible melting mechanisms include: Diapir of basaltic metasomatites (4a), slab dragging (4b) and slab rollback (4c)[119]


最近,地球动力学数值模拟表明俯冲过程中受到加热的沉积物可以在浮力的作用下,与周围水化的橄榄岩、蛇纹石等低密度物质发生机械混合形成混杂岩,一起向上底辟到热的地幔楔底部,参与到安山岩的形成过程中86124。与板片熔融模型不同的是,底辟模型并不要求混杂岩在弧下深度发生大规模的部分熔融86,混杂岩在弧下深度并非以熔体形式存在,而是以亚固相的形式底辟上升。以俯冲沉积物为主体的混杂岩部分熔融形成的熔体比岩浆弧安山岩更加富Al,两者的化学成分存在明显差异125126。Codillo等124的高压熔融实验证明在合适的温压条件下,混杂岩熔融形成的熔体通过与地幔橄榄岩的相互作用,可以形成一系列不同成分的岩浆弧初始熔体,其中熔体成分取决于混杂岩熔体—地幔橄榄岩比例和混杂岩成分。以俯冲沉积物为主的混杂岩所熔融形成的熔体经过地幔橄榄岩的改造后可以形成钙碱性的玄武安山岩—安山岩,而蛇纹岩占主体的混杂岩所熔融形成的熔体与地幔橄榄岩相互作用后形成的却是拉斑玄武岩。与俯冲洋壳相比,沉积物一般具有更低的143Nd/144Nd,更高的87Sr/86Sr27,Th和LREE在沉积物熔体中也具有很强的迁移能力,所以底辟模型可以很好地解释岩浆弧安山岩中出现的富集组分。洋—陆俯冲带靠近大陆,一般有较多的陆源沉积物参与俯冲,往往导致陆弧安山岩出现更加富集的地球化学特征1132

4 存在的主要问题

俯冲带岩浆弧安山岩成因的研究取得了诸多进展,但仍存在一些明显的问题。

(1)堆晶岩的质量平衡:承前所述,岩石学实验证明了玄武质岩浆的分离结晶是形成安山岩的一种可能机制43~45。如果玄武质岩浆的分离结晶在安山岩的形成过程占主导作用,就会形成大量的超镁铁质—镁铁质的堆晶岩46。但是对阿拉斯加南部Talkeetna和巴基斯坦北部Kohistan两处典型的岩浆弧地壳结构剖析并没有发现这种堆晶岩(80<Mg#<90)的大量存在50127。从而有学者提出在岩浆弧区域构造事件中,密度大的下地壳达到石榴子石麻粒岩相或者榴辉岩相变质条件时,会在重力作用下拆沉去除至地幔,平衡大陆地壳的安山质成分50。但根据质量平衡计算,这个过程需要拆沉去除岩浆弧地壳25%~89%的质量128,显然是难以实现的。并且在同等深度下岩浆弧下地壳成分与大陆下地壳成分差异悬殊,表现在岩浆弧下地壳明显亏损一些强不相容元素(如Ta、Ce、La、Hf)128,单纯的堆晶岩拆沉作用也不能解释这种差异。同时,如果拆沉作用成立的话,岩浆弧区域岩浆形成的速率通量将会远高于前人的估计值,从而造成岩浆弧地区的热流值远高于目前的观测值127129。所以在玄武质岩浆输入模型中,超镁铁质—镁铁质堆晶岩的质量平衡问题仍是需要深入讨论的问题。

(2)地幔源区的富集机制:安山质岩浆输入模型认为安山岩来源于岩浆弧下富集地幔源区的部分熔融,但是由于俯冲组分来源的多样性和成分的复杂性,地幔源区的富集机制存在较大争议。以俯冲沉积物组分参与到富集地幔源区的形成过程为例,基于岩石学实验和数值模拟研究,底辟模型认为沉积物组分在亚固相的状态下可以穿过流变学性质低的大洋岩石圈地幔,向上底辟到热的地幔楔底部86。但是尚不清楚它们能否穿过更厚、更冷、更难熔的大陆岩石圈地幔1132,底辟模型仍需要更多的岩浆弧实例研究证明。另一方面,根据实验岩石学研究,也有学者强调俯冲沉积物熔融形成的长英质熔体会与地幔橄榄岩互相反应,消耗地幔橄榄岩中的橄榄石,最终将橄榄岩转变为硅过剩的辉石岩以及角闪石岩等121,通过熔融交代成因的硅过剩的辉石岩也获得了低镁高硅的安山质熔体121。据此,Chen等11提出长江中下游的白垩纪安山岩来自沉积物熔体交代形成的地幔源区,比洋弧岩浆岩的源区加入了更多俯冲沉积物衍生的长英质熔体。可见,这两种观点都强调俯冲沉积物对富集地幔源区的贡献,但是地幔源区的富集机制却截然不同。

(3)俯冲组分的识别:如前所述,安山质岩浆输入模型中有多种俯冲组分参与了与地幔橄榄岩相互作用的过程,如俯冲洋壳脱水释放的含水流体、俯冲洋壳以及沉积物熔体等。而岩浆形成后到喷出地表前,可能会经历一系列的地质过程,如岩浆混合、分离结晶和地壳混染等,它们难免会“掩盖”部分俯冲组分的信息,如何精准地识别这些不同的俯冲组分,并且计算各种俯冲组分的通量,仍是俯冲带岩浆弧安山岩成因研究的难点。

5 展 望

俯冲带岩浆弧安山岩中既有地球深部幔源物质的贡献,又可能有浅部地壳物质的贡献,是“俯冲工厂”经过复杂的地质过程加工出的地球系统科学研究中宝贵的“岩石探针”之一。经过近1个世纪的研究,人们在岩浆弧安山岩的分布、化学组成与形成机制等方面取得了一定的进展,但在某些领域仍存在薄弱地带。针对现有的相关研究,我们提出几点展望:

(1)对岩浆弧火山岩中地幔包体的研究表明,辉石岩和角闪石岩等地幔交代岩在岩浆弧下地幔中广泛存在。它们是俯冲板片来源的流体/熔体—地幔橄榄岩交代反应的必然产物,在岩浆弧安山岩的形成过程中扮演着重要的角色,但在以往的研究中却经常被忽略。对这些地幔交代岩开展详细的实验岩石学研究不仅可以帮助我们揭示富集地幔源区的部分熔融机制,更是我们了解俯冲带壳幔相互作用的一扇窗口。

(2)“大陆地壳是如何形成的”是一个经久不衰的问题,与大陆地壳具有良好亲缘性的安山岩是解决这个问题的关键。高镁安山岩作为安山岩家族中特殊的成员,虽然在当今地球上较少出露,但研究表明它们可能在地球早期演化阶段(如晚太古宙)分布广泛,能够以二长闪长岩和粗面安山岩的形式组成太古宙克拉通中大陆地壳的主体部分130。然而,当今研究更多的是高镁安山岩的形成过程。因此,高镁安山岩与大陆地壳形成与演化间的关系有待更深层次的解读。

(3)岩浆弧安山岩中的富集组分究竟源于幔源玄武质岩浆同化地壳围岩,还是来自俯冲板片来源的流体/熔体—地幔橄榄岩的交代反应?这个问题一直是安山岩成因争论的核心。以往的研究一般试图通过安山岩的主量元素、微量元素和放射性同位素等地球化学特征加以判断,结果导致一个模型不能解释安山岩所有的成分特征。Chen等119综合考虑俯冲带热结构、不同温压条件下元素在矿物与熔体间的分配系数、地幔源区的熔融模式等多种因素,对安第斯弧安山岩的定量模拟显示,交代辉石岩的部分熔融就能很好地再现安山岩的成分特征,意味着AFC过程可能并不是富集组分加入安山岩的主要途径。这也启示我们如果能把理论计算和软件模拟(如MELTS131和Arc Basalt Simulator132等系列软件)等手段同传统的地球化学数据分析相结合,可能会对安山岩的成因有更深刻的认识。

参考文献

GROVE T LKINZLER R J.

Petrogenesis of andesites

[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1986141): 417-454.

[本文引用: 1]

RAYMOND L A.

Petrology: The study of igneous, sedimentary, metamorphic rocks

[M]. DubuqueIowa: Wm. C. Brown, 1995.

[本文引用: 1]

BLATT HTRECY R J. Petrology [M]. Second edition. New YorkWH Freeman and Company1996.

LU FengxiangSANG Longkang. Petrology[M]. BeijingGeology Press2002.

[本文引用: 2]

路凤香桑隆康. 岩石学[M].北京地质出版社2002.

[本文引用: 2]

BOWEN N L. The evolution of the igneous rocks [M]. New YorkPrinceton University Press1928.

[本文引用: 1]

DIETZ R S.

Continent and ocean basin evolution by spreading of the sea floor

[J]. Nature, 19611904 779): 854-857.

[本文引用: 1]

ZHENG YongfeiCHEN YixiangDAI Liqunet al.

Developing plate tectonics theory from oceanic subduction zones to collisional orogens

[J]. Science China Earth Sciences, 2015456):711.

[本文引用: 3]

郑永飞陈伊翔戴立群.

发展板块构造理论:从洋壳俯冲带到碰撞造山带

[J]. 中国科学:地球科学, 2015456):711.

[本文引用: 3]

NIU Yaolin.

Geological understanding of plate tectonics: Basic concepts, illustrations, examples and new perspectives

[J]. Global Tectonics and Metallogeny, 2018101): 23-46.

[本文引用: 1]

KAY R W.

Aleutian magnesian andesites: Melts from subducted Pacific Ocean crust

[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 197841/2):117-132.

[本文引用: 2]

SAALFELD M AKELLEY D FPANTER K S.

Insight on magma evolution and storage through the recent eruptive history of Cotopaxi Volcano, Ecuador

[J]. Journal of South American Earth sciences, 20199385-101.

[本文引用: 1]

CHEN LongZHAO Zifu.

Origin of continental arc andesites: The composition of source rocks is the key

[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2017145217-232.

[本文引用: 11]

EICHELBERGER J C.

Origin of andesite and dacite: Evidence of mixing at glass mountain in California and at other circum-pacific volcanoes

[J]. Geological Society of America Bulletin, 19758610):1 381-1 391.

[本文引用: 1]

SAKUYAMA M.

Evidence of magma mixing: Petrological study of Shirouma-Oike calc-alkaline andesite volcano, Japan

[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 197951/2): 179-208.

[本文引用: 1]

KUSHIRO I.

Melting of hydrous upper mantle and possible generation of andesitic magma: An approach from synthetic systems

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1974224):294-299.

[本文引用: 1]

MYSEN B OBOETTCHER A L.

Melting of a hydrous mantle: II. Geochemistry of crystals and liquids formed by anatexis of mantle peridotite at high pressures and high temperatures as a function of controlled activities of water, hydrogen, and carbon dioxide

[J]. Journal of Petrology,1975161):549-593.

HIROSE KKAWAMOTO T.

Hydrous partial melting of lherzolite at 1GPa: The effect of H2O on the genesis of basaltic magmas

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 19951333/4):463-473.

[本文引用: 1]

HIROSE K.

Melting experiments on lherzolite KLB-1under hydrous conditions and generation of high-magnesian andesitic melts

[J]. Geology, 1997251) :42-44.

[本文引用: 6]

ZHANG JiLI HaipingCHEN Qinget al.

Review on the research of subduction zone

[J]. Geological Survey and Research, 2015381):18-27.

[本文引用: 1]

张继李海平陈青.

俯冲带研究进展与问题

[J]. 地质调查与研究, 2015381):18-27.

[本文引用: 1]

GILL J. Orogenic andesites and plate tectonics[M]. BerlinSpringer-Verlag Berlin1981.

[本文引用: 1]

ZHENG YongfeiCHEN RenxuXU Zhenget al.

The transport of water in subduction zones

[J]. Science China Earth Sciences, 2016463):253-286.

[本文引用: 1]

郑永飞陈仁旭徐峥.

俯冲带中的水迁移

[J]. 中国科学:地球科学, 2016463):253-286.

[本文引用: 1]

LI YalinHE JuanWANG Chengshanet al.

Late Cretaceous K-rich magmatism in central Tibet: Evidence for early elevation of the Tibetan Plateau?

[J]. Lithos, 20131601-13.

[本文引用: 1]

HU PeiyuanZHAI QingguoJAHN Bet al.

Late Early Cretaceous magmatic rocks (118-113 Ma) in the middle segment of the Bangong-Nujiang suture zone, Tibetan Plateau: Evidence of lithospheric delamination

[J]. Gondwana Research, 201744116-138.

[本文引用: 1]

HAMILTON W B.

Plate tectonics and island arcs

[J]. Geological Society of America Bulletin, 198810010): 1 503-1 527.

[本文引用: 1]

SYERN R J.

Subduction zones

[J]. Reviews of Geophysics, 2002404): 3-1-3-38.

[本文引用: 1]

WU FuyuanWANG JiangangLIU Chuanzhouet al.

Intra-oceanic arc: Its formation and evolution

[J]. Acta Petrologica Sinica, 2019351):1-15.

[本文引用: 3]

吴福元王建刚刘传周.

大洋岛弧的前世今生

[J]. 岩石学报, 2019351):1-15.

[本文引用: 3]

FRISCH WMESCHEDE MBLAKEY R C. Plate tectonics: Continental drift and mountain building[M]. Berlin HeidelbergSpringer2011.

[本文引用: 4]

PLANK TLANGMUIR C H.

The chemical composition of subducting sediment and its consequences for the crust and mantle

[J]. Chemical Geology, 19981453/4):325-394.

[本文引用: 3]

XU YigangWANG QiangTANG Gongjianet al.

The origin of arc basalts: New advances and remaining questions

[J]. Science China Earth Sciences, 20205012):1 818-1 844.

[本文引用: 4]

徐义刚王强唐功建.

弧玄武岩的成因:进展与问题

[J].中国科学:地球科学,20205012):1 818-1 844.

[本文引用: 4]

STRAUB S MGÓMEZ-TUENA AVANNUCCHI P.

Subduction erosion and arc volcanism

[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2020111): 574-589.

[本文引用: 2]

RUDGE J F.

Finding peaks in geochemical distributions: A re-examination of the helium-continental crust correlation

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 20082741/2): 179-188.

[本文引用: 1]

KELEMEN P BHANGHJ KGREENE A R.

One view of the geochemistry of subduction-related magmatic arcs, with an emphasis on primitive andesite and lower crust

[J]. Treatise on Geochemistry, 200731-70.

[本文引用: 7]

ZHENG YongfeiXU ZhengCHEN Longet al.

Chemical geodynamics of mafic magmatism above subduction zones

[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2020194104-185.

[本文引用: 4]

WINTER J D N.

Principles of igneous and metamorphic petrology

[M]. HarlowUK: Pearson education, 2014.

[本文引用: 1]

ISHIZUKA OKIMURA J ILI Y Bet al.

Early stages in the evolution of Izu-Bonin arc volcanism: New age, chemical, and isotopic constraints

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 20062501/2): 385-401.

[本文引用: 1]

STERN R JOHARA YREN Met al.

Glimpses of oceanic lithosphere of the Challenger Deep forearc segment in the southernmost Marianas: The 143° E transect, 5 800-4 200 m

[J]. Island Arc, 2020. DOI:10.1111/iar.12359.

[本文引用: 1]

CAULFIELD J TTURNER S PSMITH I E Met al.

Magma evolution in the primitive, intra-oceanic Tonga arc: Petrogenesis of basaltic andesites at Tofua volcano

[J]. Journal of Petrology, 2012536): 1 197-1 230.

[本文引用: 1]

SAS MDEBARI S MCLYNNE M Aet al.

Using mineral geochemistry to decipher slab, mantle, and crustal input in the generation of high-Mg andesites and basaltic andesites from the northern Cascade Arc

[J]. American Mineralogist, 20171025): 948-965.

[本文引用: 1]

REUBI ONICHOLLS I A.

Structure and dynamics of a silicic magmatic system associated with caldera-forming eruptions at Batur volcanic field, Bali, Indonesia

[J]. Journal of Petrology, 2005467): 1 367-1 391.

[本文引用: 1]

GÓMEZ-TUENA ASTRAUB S MZELLMER G F.

An introduction to orogenic andesites and crustal growth

[J]. Geological Society, LondonSpecial Publications, 20143851): 1-13.

[本文引用: 1]

SUN S SMCDONOUGH W F.

Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts: Implications for mantle composition and processes

[J]. Geological Society, LondonSpecial Publications, 1989421): 313-345.

[本文引用: 4]

LEE C T ABACHMANN O.

How important is the role of crystal fractionation in making intermediate magmas? Insights from Zr and P systematics

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2014393266-274.

[本文引用: 4]

REUBI OBLUNDY J.

A dearth of intermediate melts at subduction zone volcanoes and the petrogenesis of arc andesites

[J]. Nature, 20094617 268): 1 269-1 273.

[本文引用: 3]

SISSON T WGROVE T L.

Experimental investigations of the role of H2O in calc-alkaline differentiation and subduction zone magmatism

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 19931132):143-166.

[本文引用: 7]

MUNTENER OKELEMEN P BGROVE T L.

The role of H2O during crystallization of primitive arc magmas under uppermost mantle conditions and genesis of igneous pyroxenites: An experimental study

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 20011416):643-658.

[本文引用: 5]

GROVE T LELKINS-Tanton L TPARMAN S Wet al.

Fractional crystallization and mantle-melting controls on calc-alkaline differentiation trends

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 20031455):515-533.

[本文引用: 3]

ANNEN CBLUNDY J DSPARKS R S J.

The genesis of intermediate and silicic magmas in deep crustal hot zones

[J]. Journal of Petrology, 2005473):505-539.

[本文引用: 3]

DEPAOLO D J.

Trace element and isotopic effects of combined wallrock assimilation and fractional crystallization

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1981532): 189-202.

[本文引用: 2]

HILDRETH WMOORBATH S.

Crustal contributions to arc magmatism in the Andes of central Chile

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1988984): 455-489.

[本文引用: 2]

FRANCALANCI LVAREKAMP J CVOUGIOUKALAKIS Get al.

Crystal retention, fractionation and crustal assimilation in a convecting magma chamber, Nisyros Volcano, Greece

[J]. Bulletin of Volcanology, 1995568): 601-620.

[本文引用: 1]

DUCEA M NSALEEBY J BBERGANTZ G.

The architecture, chemistry, and evolution of continental magmatic arcs

[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 201543299-331.

[本文引用: 4]

PRICE R CSMITH I E MSTEWART R Bet al.

High-K andesite petrogenesis and crustal evolution: Evidence from mafic and ultramafic xenoliths, Egmont Volcano (Mt. Taranaki) and comparisons with Ruapehu Volcano, North Island, New Zealand

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016185328-357.

[本文引用: 1]

CONWAY C EGAMBLE J AWILSON C J Net al.

New petrological, geochemical, and geochronological perspectives on andesite-dacite magma genesis at Ruapehu volcano, New Zealand

[J]. American Mineralogist: Journal of Earth and Planetary Materials, 20181034): 565-581.

[本文引用: 2]

JACQUES GHOERNLE KGILL Jet al.

Geochemical variations in the Central Southern Volcanic Zone, Chile (38-43 °S): the role of fluids in generating arc magmas

[J]. Chemical Geology, 201437127-45.

[本文引用: 2]

BUYS JSPANDLER CHOLM R Jet al.

Remnants of ancient Australia in Vanuatu: Implications for crustal evolution in island arcs and tectonic development of the southwest Pacific

[J]. Geology, 20144211): 939-942.

[本文引用: 3]

SHAO WenyuCHUNG SunlinCHEN Wenshanet al.

Old continental zircons from a young oceanic arc, eastern Taiwan: Implications for Luzon subduction initiation and Asian accretionary orogeny

[J]. Geology, 2015436): 479-482.

[本文引用: 1]

LAI YumingSong ShengrongLO C Het al.

Age, geochemical and isotopic variations in volcanic rocks from the Coastal Range of Taiwan: Implications for magma generation in the Northern Luzon Arc

[J]. Lithos, 201727292-115.

[本文引用: 1]

ROJAS-AGRAMONTE YGARCIA-CASCO AKEMP Aet al.

Recycling and transport of continental material through the mantle wedge above subduction zones: A Caribbean example

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 201643693-107.

[本文引用: 1]

BLANCO‐QUINTERO I FGERYA T VGARCÍA‐CASCO Aet al.

Subduction of young oceanic plates: A numerical study with application to aborted thermal-chemical plumes

[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystem, 2013. DOI:10.1029/2011GC003717.

[本文引用: 1]

PROENZA J AGONZÁLEZ-JIMÉNEZ J MGARCIA-CASCO Aet al.

Cold plumes trigger contamination of oceanic mantle wedges with continental crust-derived sediments: Evidence from chromitite zircon grains of eastern Cuban ophiolites

[J]. Geoscience Frontiers, 201896): 1 921-1 936.

[本文引用: 1]

ZHU MingshuaiLAI ChengmiaoSHUN Huyang.

Genesis and evolution of subduction-zone andesites: Evidence from melt inclusions

[J]. International Geology Review, 20135510):1 179-1 190.

[本文引用: 3]

TONARINI SD'ANTONIO MDI VITO M Aet al.

Geochemical and B-Sr-Nd isotopic evidence for mingling and mixing processes in the magmatic system that fed the Astroni volcano (4.1-3.8 ka) within the Campi Flegrei caldera (southern Italy)

[J]. Lithos, 20091073/4): 135-151.

[本文引用: 1]

TEMIZEL I.

Petrochemical evidence of magma mingling and mixing in the Tertiary monzogabbroic stocks around the Bafra (Samsun) area in Turkey: Implications of coeval mafic and felsic magma interactions

[J]. Mineralogy and Petrology, 20141083): 353-370.

[本文引用: 1]

QI YouqiangHU RuizhongLIU Shenet al.

Review on magma mixing and mingling

[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2008274):409-416.

[本文引用: 1]

齐有强胡瑞忠刘燊.

岩浆混合作用研究综述

[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2008274):409-416.

[本文引用: 1]

TSUCHIYAMA A.

Dissolution kinetics of plagioclase in the melt of the system diopside-albite-anorthite, and origin of dusty plagioclase in andesites

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology,1985891):1-16.

[本文引用: 3]

GIACOMONI P PFERLITO CCOLTORTI Met al.

Plagioclase as archive of magma ascent dynamics on "open conduit" volcanoes: The 2001-2006 eruptive period at Mt. Etna

[J]. Earth-Science Reviews, 2014138371-393.

[本文引用: 1]

RAY DRAJAN SRAVINDRA Ret al.

Microtextural and mineral chemical analyses of andesite-dacite from Barren and Narcondam islands: Evidences for magma mixing and petrological implications

[J]. Journal of Earth System Science, 20111201): 145-155.

[本文引用: 1]

FODOR R VJOHNSON K G.

Origin of Miocene andesite and dacite in the Goldfield-Superstition volcanic province, central Arizona: Hybrids of mafic and silicic magma mixing

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016185394-417.

[本文引用: 1]

SAKUYAMA M.

Petrological study of the Myoko and Kurohime volcanoes, Japan: Crystallization sequence and evidence for magma mixing

[J]. Journal of Petrology, 1981224): 553-583.

[本文引用: 2]

TATSUMI YTAKAHASHI THIRAHARA Yet al.

New insights into andesite genesis: The role of mantle-derived calc-alkalic and crust-derived tholeiitic melts in magma differentiation beneath Zao Volcano, NE Japan

[J]. Journal of Petrology, 20084911):1 971-2 008.

[本文引用: 3]

RUTHERFORD M JHILL P M.

Magma ascent rates from amphibole breakdown: An experimental study applied to the 1980-1986 Mount St. Helens eruptions

[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 199398B11):19 667-19 685.

[本文引用: 1]

RUTHERFORD M J.

Magma ascent rates

[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2008691):241-271.

[本文引用: 2]

BARTON MBERGEN M J V.

Green clinopyroxenes and associated phases in a potassium-rich lava from the Leucite Hills, Wyoming

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1981772):101-114.

[本文引用: 1]

GUO FengNAKAMURU EFAN Weiminget al.

Generation of Paleocene Adakitic Andesites by Magma Mixing; Yanji Area, NE China

[J]. Journal of Petrology, 2007484):661-692.

HONG WentaoWANG TiangangXING Guangfuet al.

Implications of mineral textures for magma mixing: A case study of Pyroxenes from Holocene Ruapehu Andesite, New Zealand

[J]. Geological Journal of China Universities, 20153):478-491.

[本文引用: 1]

洪文涛王天刚邢光福.

矿物结构特征对岩浆混合过程的指示:以新西兰Ruapehu全新世安山岩中的辉石为例

[J]. 高校地质学报, 20153):478-491.

[本文引用: 1]

RUTHERFORD M JDEVINE J D.

Magmatic conditions and magma ascent as indicated by hornblende phase equilibria and reactions in the 1995-2002 Soufrière hills magma

[J]. Journal of Petrology, 2003441 433-1 454.

[本文引用: 1]

KOYAGUCHI T.

Textural and compositional evidence for magma mixing and its mechanism, Abu volcano group, southwestern Japan

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1986931):33-45.

[本文引用: 1]

CLYNNE M A.

A complex magma mixing origin for rocks Erupted in 1915, Lassen Peak, California

[J]. Journal of Petrology, 1999401):105-132.

[本文引用: 3]

TEPLEY III F JDAVIDSON J PTILLING R Iet al.

Magma mixing, recharge and eruption histories recorded in plagioclase phenocrysts from El Chichon Volcano, Mexico

[J]. Journal of Petrology, 2000419): 1 397-1 411.

[本文引用: 2]

LESHER C E.

Decoupling of chemical and isotopic exchange during magma mixing

[J]. Nature, 19903446 263): 235-237.

[本文引用: 1]

DAVIDSON J PTEPLEY F J.

Recharge in volcanic systems: Evidence from isotope profiles of phenocrysts

[J]. Science, 19972755 301): 826-829.

[本文引用: 1]

GINIBRE CDAVIDSON J P.

Sr isotope zoning in plagioclase from Parinacota Volcano (northern Chile): Quantifying magma mixing and crustal contamination

[J]. Journal of Petrology, 2014556): 1 203-1 238.

[本文引用: 1]

WU FuyuanLI XianhuaZHENG Yongfeiet al.

Lu-Hf isotopic systematics and their applications in petrology

[J]. Acta Petrologica Sinica, 2007232):185-220.

[本文引用: 1]

吴福元李献华郑永飞.

Lu-Hf同位素体系及其岩石学应用

[J]. 岩石学报, 2007232):185-220.

[本文引用: 1]

WAN YushengKungsuan HOLIU Dunyiet al.

Micro-scale heterogeneity of andesite from Chilungshan, northern Taiwan: Evidence from melt inclusions, geochronology and Hf-O isotopes of zircons

[J]. Chemical Geology, 2012328244-258.

[本文引用: 2]

KELLER C BSCHOENE BBARBONI Met al.

Volcanic-plutonic parity and the differentiation of the continental crust

[J]. Nature, 20155237 560): 301-307.

[本文引用: 1]

MITCHELL A LGROVE T L.

Melting the hydrous, subarc mantle: The origin of primitive andesites

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 20151702): 1-23.

[本文引用: 6]

HACKER B RKELEMEN P BBEHN M D.

Differentiation of the continental crust by relamination

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 20113073/4): 501-516.

[本文引用: 4]

O'HARA M J.

Primary magmas and the origin of basalts

[J]. Scottish Journal of Geology, 196511):19-40.

[本文引用: 1]

KUSHIRO I.

The system forsterite-diopside-silica with and without water at high pressures

[J]. American Journal of Science, 1969267A):269-294.

[本文引用: 1]

HIROSE KKUSHIRO I.

Partial melting of dry peridotites at high pressures: Determination of compositions of melts segregated from peridotite using aggregates of diamond

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 19931144): 477-489.

[本文引用: 2]

KUSHIRO I.

Partial melting of fertile mantle peridotite at high pressures: An experimental study using aggregates of diamond

[J]. Geophysical Monograph—American Geophysical Union, 199695109-122.

[本文引用: 2]

BAKER M BSTOLPER E M.

Determining the composition of high-pressure mantle melts using diamond aggregates

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 19945813): 2 811-2 827.

[本文引用: 2]

TATSUMI Y.

Melting experiments on a high-magnesian andesite

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1981542): 357-365.

[本文引用: 1]

PARMAN S WGROVE T L.

Harzburgite melting with and without H2O: Experimental data and predictive modeling

[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2004. DOI:10.1029/2003JB002566.

[本文引用: 1]

GROVE T LTILL C B.

H2O-rich mantle melting near the slab-wedge interface

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 201917410): 1-22.

[本文引用: 1]

LARA MDASGUPTA R.

Partial melting of a depleted peridotite metasomatized by a MORB-derived hydrous silicate melt-Implications for subduction zone magmatism

[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020290137-161.

[本文引用: 3]

KESSEL RSCHMIDT M WULMER Pet al.

Trace element signature of subduction-zone fluids, melts and supercritical liquids at 120-180 km depth

[J]. Nature, 20054377 059):724-727.

[本文引用: 1]

GREEN T HRINGWOOD A E.

Genesis of the calc-alkaline igneous rock suite

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1968182): 105-162.

[本文引用: 1]

TOKSÖZ M NMINEAR J WJULIAN B R.

Temperature field and geophysical effects of a downgoing slab

[J]. Journal of Geophysical Research, 1971765): 1 113-1 138.

[本文引用: 1]

STERN C R.

Melting products of olivine tholeiite basalt in subduction zones

[J]. Geology, 197425): 227-230.

[本文引用: 1]

DEFANT M JDRUMMOND M S.

Derivation of some modern arc magmas by melting of young subducted lithosphere

[J]. Nature, 19903476 294):662-665.

[本文引用: 4]

STERN C RKILIAN R.

Role of the subducted slab, mantle wedge and continental crust in the generation of adakites from the Andean Austral Volcanic Zone

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 19961233): 263-281.

[本文引用: 1]

PEACOCK S MRUSHMER TTHOMPSON A B.

Partial melting of subducting oceanic crust

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 19941211):227-244.

[本文引用: 1]

SYRACUSE E MKEKEN P E VANABERS G A.

The global range of subduction zone thermal models

[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 20101831/2): 73-90.

[本文引用: 2]

ROGERS GSAUNDERS A DTERRELL D Jet al.

Geochemistry of Holocene volcanic rocks associated with ridge subduction in Baja California, Mexico

[J]. Nature, 19853156 018):389-392.

[本文引用: 1]

XU JifengWANG QiangYU Xueyuan.

Geochemistry of high-Mg andesites and adakitic andesite from the Sanchazi block of the Mian-Lue ophiolitic mélange in the Qinling Mountains, central China: Evidence of partial melting of the subducted Paleo-Tethyan crust

[J]. Geochemical Journal, 2000345):359-377.

[本文引用: 1]

POLAT AKERRICH R.

Magnesian andesites, Nb-enriched basalt-andesites, and adakites from late-Archean 2.7Ga Wawa greenstone belts, Superior Province, Canada: Implications for late Archean subduction zone petrogenetic processes

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 20011411):36-52.

[本文引用: 1]

KÖNIG SSCHUTH SMÜNKER Cet al.

The role of slab melting in the petrogenesis of high-Mg andesites: Evidence from Simbo Volcano, Solomon Islands

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 20071531):85-103.

[本文引用: 1]

WANG QiangWYMAN D AXU Jifenget al.

Triassic Nb-enriched basalts, magnesian andesites, and adakites of the Qiangtang terrane (Central Tibet): Evidence for metasomatism by slab-derived melts in the mantle wedge

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 20081554):473-490.

[本文引用: 1]

PINEDA‐VELASCO IKITAGAWA HNGUYEN T Tet al.

Production of high‐Sr andesite and dacite magmas by melting of subducting oceanic lithosphere at propagating slab tears

[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 20181235):3 698-3 728.

[本文引用: 2]

JOLLY W TSCHELLEKENS J HDICKIN A P.

High-Mg andesites and related lavas from southwest Puerto Rico (Greater Antilles Island Arc): Petrogenetic links with emplacement of the Late Cretaceous Caribbean mantle plume

[J]. Lithos, 2007981/4): 1-26.

[本文引用: 1]

KILIAN RSTERN C R.

Constraints on the interaction between slab melts and the mantle wedge from adakitic glass in peridotite xenoliths

[J]. European Journal of Mineralogy, 2002141): 25-36.

[本文引用: 1]

MARTIN HSMITHIES R HRAPP Ret al.

An overview of adakite, Tonalite-Trondhjemite-Granodiorite (TTG), and sanukitoid: Relationships and some implications for crustal evolution

[J]. Lithos, 2005791/2): 1-24.

[本文引用: 1]

RAPP R PSHIMIZU NNORMAN M Det al.

Reaction between slab-derived melts and peridotite in the mantle wedge: Experimental constraints at 3.8 GPa

[J]. Chemical Geology, 19991604): 335-356.

[本文引用: 2]

COOPER L BRUSCITTO D MPLANK Tet al.

Global variations in H2O/Ce: 1. Slab surface temperatures beneath volcanic arcs

[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems,2012. DOI:10.1029/2011GC003902.

[本文引用: 1]

NICHOLLS I ARINGWOOD A E.

Effect of water on olivine stability in tholeiites and the production of silica-saturated magmas in the island-arc environment

[J]. The Journal of Geology, 1973813): 285-300.

[本文引用: 2]

STRAUB S MGOMEZ-TUENA ASTUART F Met al.

Formation of hybrid arc andesites beneath thick continental crust

[J]. Earth and Planetary Science Letters, 20113033/4): 337-347.

[本文引用: 1]

HIRSCHMANN M MKOGISO TBAKER M Bet al.

Alkalic magmas generated by partial melting of garnet pyroxenite

[J]. Geology, 2003316): 481-484.

[本文引用: 1]

CHEN LongZHAO ZifuZHENG Yongfei.

Origin of andesitic rocks: Geochemical constraints from Mesozoic volcanics in the Luzong basin, South China

[J]. Lithos, 2014190220-239.

[本文引用: 1]

CHEN LongZHENG YongfeiXU Zhenget al.

Generation of andesite through partial melting of basaltic metasomatites in the mantle wedge: Insight from quantitative study of Andean andesites

[J]. Geoscience Frontiers, 2021123): 101-124.

[本文引用: 7]

LAMBART SLAPORTE DSCHIANO P.

Markers of the pyroxenite contribution in the major-element compositions of oceanic basalts: Review of the experimental constraints

[J]. Lithos, 201316014-36.

[本文引用: 1]

SOBOLEV A VHOFMANN A WKUZMIN D Vet al.

The amount of recycled crust in sources of mantle-derived melts

[J]. Science, 20073165 823): 412-417.

[本文引用: 3]

GROVE T LTILL C BKRAWCZYNSKI M J.

The role of H2O in subduction zone magmatism

[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 201240413-439.

[本文引用: 1]

KINCAID CGRIFFITHS R W.

Laboratory models of the thermal evolution of the mantle during rollback subduction

[J]. Nature, 20034256 953): 58-62.

[本文引用: 1]

CODILLO E ALE ROUX VMARSCHALL H R.

Arc-like magmas generated by mélange-peridotite interaction in the mantle wedge

[J]. Nature Communications, 201891): 1-11.

[本文引用: 2]

CASTRO AGERYA TGARCÍA-CASCO Aet al.

Melting relations of MORB-sediment mélanges in underplated mantle wedge plumes; Implications for the origin of Cordilleran-type batholiths

[J]. Journal of Petrology, 2010516): 1 267-1 295.

[本文引用: 1]

CRUZ-URIBE A MMARSCHALL H RGAETANI G Aet al.

Generation of alkaline magmas in subduction zones by partial melting of mélange diapirs—An experimental study

[J]. Geology, 2018464): 343-346.

[本文引用: 1]

JAGOUTZ OKELEMEN P B.

Role of arc processes in the formation of continental crust

[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2015431): 363-404.

[本文引用: 2]

KELEMEN P BBEHN M D.

Formation of lower continental crust by relamination of buoyant arc lavas and plutons

[J]. Nature Geoscience,201693):197-205.

[本文引用: 2]

INGEBRITSEN S ESHERROD D RMariner R H.

Heat flow and hydrothermal circulation in the Cascade Range, north-central Oregon

[J]. Science, 19892434 897): 1 458-1 462.

[本文引用: 1]

TANG GongjianWANG Qiang.

High-Mg andesites and their geodynamic implications

[J]. Acta Petrologica Sinica, 2010268):2 495-2 512.

[本文引用: 1]

唐功建王强.

高镁安山岩及其地球动力学意义

[J]. 岩石学报, 2010268):2 495-2 512.

[本文引用: 1]

GHIORSO M S.

Chemical mass transfer in magmatic processes IV. A revised and internally consistent thermodynamic model for the interpolation and extrapolation of liquid-solid equilibria in magmatic systems at elevated temperatures and pressures

[J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 19951192/3):197-212.

[本文引用: 1]

KIMURA J I.

Modeling chemical geodynamics of subduction zones using the Arc Basalt Simulator version 5

[J]. Geosphere, 2017134): 992-1 025.

[本文引用: 1]

/