新喀里多尼亚蛇绿岩中堆晶岩的成因及其对大洋岛弧弧前下地壳生长机制的启示

The evolution of oceanic lithosphere has always been one of the important issues of Earth sciences. The lower crustal cumulates record the tectonic setting, formation age and process of oceanic lithosphere. Compared with the cumulates from mid-ocean ridges, studies on lower crustal cumulates of oceanic forearc are still rare and growth mechanism of forearc lower crust remain unclear. This project plans to study on the cumulates of the New Caledonia ophiolite, which has been classified as the stereotype of forearc ophiolites. Ages of the cumulates will be constrained through zircon U-Pb dating. Melt-rock reaction and the relationship between mantle and crust will be discussed through major, trace elements and Sr-Nd-Hf isotopes of whole-rocks and minerals. Water contents of the nominally anhydrous minerals (NAMs) will be analyzed to constrain the water contents of cumulates. Finally, by comparing geochemical characteristics and water contents of cumulates in the New Caledonia ophiolite and mid-ocean ridges, the mechanism for formation of oceanic forearc cumulates will be discussed.

大洋岩石圈的演化一直是地球科学领域研究的重要问题。下地壳堆晶岩记录了大洋岩石圈形成的构造背景、形成年龄和形成过程。目前，对于洋中脊环境堆晶岩的研究已经取得了很多成果，但是对大洋岛弧弧前下地壳堆晶岩生长机制的研究仍非常匮乏。本项目拟选择典型的弧前蛇绿岩——新喀里多尼亚蛇绿岩的堆晶岩为研究对象。通过锆石U-Pb定年确定堆晶岩的形成时代，利用矿物及全岩的主、微量元素和Sr-Nd-Hf同位素成分揭示堆晶岩所经历的熔岩反应作用及壳幔相互关系，通过测定名义无水矿物的水含量来推测堆晶岩的水含量。在此基础上，通过对比新喀里多尼亚蛇绿岩的堆晶岩和大洋中脊堆晶岩的地球化学特征和含水量，深入探讨大洋岛弧弧前下地壳堆晶岩的生长机制。

蛇绿岩被认为是保存于陆地上的大洋岩石圈残片，其可以形成于不同的构造背景，如超俯冲带和洋中脊环境。本项目以形成于俯冲背景的新喀里多尼亚弧前蛇绿岩的地幔橄榄岩和堆晶岩为研究对象，通过岩石学、矿物学和地球化学等手段研究了弧前两种不同类型地幔橄榄岩的部分熔融和熔岩反应历史。特别是详细研究了下地壳堆晶岩的成因，在此基础上讨论了堆晶岩对蛇绿岩形成环境的指示意义以及岛弧下地壳的多样性。新喀里多尼亚地幔橄榄岩主体具有超难熔的成分特征，经历了约25–30%的高程度部分熔融。轻稀土和大离子亲石元素富集的成分特征及矿物结构特征表明其在部分熔融之后还受到了地幔交代作用的显著影响。新喀里多尼亚蛇绿岩少量的带有古老的Hf-Os同位素特征的深海型橄榄岩则表明在初始俯冲过程中软流圈地幔的上涌可能会使其含有的古老地幔域就位到弧前地区。新喀里多尼亚下地壳堆晶岩包括镁铁质堆晶岩和超镁铁质堆晶岩两部分。镁铁质堆晶岩包括含橄榄石辉长苏长岩和辉长苏长岩。矿物结晶序列、矿物结构及地球化学特征（如辉石的Eu异常与Mg#值及斜长石An牌号等）支持镁铁质堆晶岩的母岩浆在演化过程中经历了从富水向贫水的转变。橄榄石微量元素特征支持含橄榄石辉长苏长岩在形成过程中受到了熔岩反应过程的影响。超镁铁质堆晶岩包括纯橄岩、异剥橄榄岩和辉石岩。地球化学特征表明超镁铁质堆晶岩受到了比镁铁质堆晶岩更为强烈的熔岩反应过程的影响。Sr-Nd-Hf同位素证据支持它们和镁铁质堆晶岩均来源于亏损的地幔源区。弧前下地壳具有明显区别于洋中脊环境下地壳的岩石组合和地球化学成分特征，综合利用这些特征可以帮助我们通过下地壳堆晶岩来判断蛇绿岩的形成环境。此外，弧前堆晶岩代表了初始俯冲阶段的岛弧下地壳，而弧下堆晶岩则代表了成熟岛弧的下地壳，两者在地壳厚度、岩石组合和地球化学特征上都存在显著的差异，利用这些特征可以进一步通过堆晶岩来推测俯冲型蛇绿岩所代表的岛弧的演化阶段。