近日，团队成员张军波博士和刘勇胜教授在国际地学期刊《Lithos》发表了题为《大陆麻粒岩下地壳再循环》(Recycling of granulitic lower crust into the mantle)的学术论文，发现了大陆麻粒岩下地壳拆沉再循环的关键证据。该研究对理解大陆下地壳的形成与演化和下伏地幔的不均一性具有重要意义，同时也为华北克拉通岩石圈减薄的纵向尺度和时间尺度提供了新的约束。

克拉通是大陆内部稳定存在了数十亿年的区域， 由大陆地壳和经过熔体提取的岩石圈地幔组成, 探究其长期稳定和破坏的机制是地球科学的主要研究课题之一。华北克拉通是世界上唯一保留有大陆根破坏前后岩石圈地幔物质的地区, 是回答和研究大陆稳定与改造等地球动力学核心问题的最佳天然实验室之一。

大陆下地壳是地球深部最重要的层圈之一，是壳-幔物质发生交换和相互作用的直接场所。已有的研究表明，大陆内加厚的高密度榴辉岩下地壳（岩石圈地幔）会因重力不稳而拆沉返回软流圈，这一重要的地球动力学过程对大陆地壳的组成、结构和演化具有重要意义。同时，含斜长石和石榴石的富铁麻粒岩也是大陆下地壳的重要组成部分，其密度也可以超过下伏的地幔橄榄岩(图1)而造成重力不稳。然而，目前仍然缺乏大陆麻粒岩下地壳拆沉再循环返回地幔的关键证据，以及这一过程如何控制大陆地壳下部的莫霍面（地壳与地幔之间存在的过渡界面）深度。

图1. 岛弧/大陆下地壳榴辉岩-麻粒岩密度变化。Kohistan和Talkeetna 弧剖面的密度数据引自Jagoutz and Behn (2013), 弧下地壳密度与温度-压力之间的关系引自Hacker et al. (2015)。

针对上述科学问题，刘勇胜教授研究团队选取华北克拉通东部蒙阴早白垩世富镁（Mg#>60）安山质火山岩为研究对象，通过U-Pb定年、全岩主微量元素、Sr-Nd同位素和单矿物原位分析研究，并结合前人地球化学数据和地球物理资料，取得了以下几点主要认识：

(1) 鲁西蒙阴早白垩世高镁安山岩具有高镁-铬-镍-锶和低钇-镱含量，且具有明显的负铕异常（Eu/Eu* = 0.80 ± 0.02）。根据地球化学组成的不同，识别出三类具有环带的单斜辉石斑晶：正环带（I类） 和 反环带（II类）辉石核部均具有负铕异常(图2)；第III类辉石核部高镁、无铕异常，并包裹了低镁的橄榄石。结合样品中大量晚太古代华北克拉通前寒武纪岩石特征的继承锆石和高度演化的锶－钕同位素组成，排除了蒙阴高镁安山岩是地壳深度的岩浆混合、俯冲大洋沉积物或俯冲洋壳（辉长岩）部分熔融产物的可能性。

图2. 单斜辉石反环带（核部低镁-铬与幔部高镁铬）化学组成的空间变化。

(2) 在下地壳底部的还原环境下，石榴石和辉石不会导致熔体中铕与其相邻的稀土元素发生分异，只有斜长石控制熔体Eu（+2）的分异。另外，考虑到基性麻粒岩的流变学强度明显弱于榴辉岩(与上地幔橄榄岩；图3)和当今地震层析成像反映华北克拉通东部存在薄的地壳根（大约30 km），研究团队提出华北麻粒岩下地壳再循环进入上地幔，麻粒岩部分熔融产生具有负铕异常的英安质熔体，然后这些英安质熔体在大约50-60km深度与地幔橄榄岩发生反应形成具有负铕异常的高镁安山岩(图3)。

(3) 华北克拉通破坏和岩浆作用的峰期年龄主要是在早白垩世，为何在这一时期发生广泛的岩石圈减薄、下地壳活化与拆沉已引起了国内外学者的极大关注。已有的板块重建研究表明，太平洋板块在早白垩世突然俯冲加速，可以携带更多的水进入软流圈地幔，这些挥发性组分会显著降低软流圈密度。如此一来，华北高密度的大陆麻粒岩下地壳与软流圈地幔之间的密度差 （density contrast）将会在早白垩世进一步加大；大陆麻粒岩下地壳更容易发生重力不稳，发生拆沉进入软流圈地幔。因此，太平洋板块快速运动可能是华北克拉通大陆下地壳增厚和重力不稳的重要驱动力。

图3. 大陆麻粒岩下地壳拆沉再循环返回地幔模型。辉长岩组分高温高压过程中的相转变引自Foley et al. (2003)，基性麻粒岩的流变特征引自Wang et al. (2012)。

该项研究成果受到国家自然科学基金委(Grants 41530211与41503020)和教育部111计划等项目的联合资助。论文通讯作者为刘勇胜教授，论文第一作者为张军波博士。

文章信息：Zhang, J.-B., Liu, Y.-S.*, Ling, W.-L., and Xu, R., 2020, Recycling of granulitic lower crust into the mantle: Lithos 378-379, 105812. https://doi.org/10.1016/j.lithos.2020.105812

参考文献：

Foley, S.F., Buhre, S., Jacob, D.E., 2003. Evolution of the Archaean crust by delamination and shallow subduction. Nature 421 (6920), 249-252, doi: 10.1038/nature01319.

Hacker, B.R., Kelemen, P.B., Behn, M.D., 2015. Continental lower crust. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 43 (1), 167-205, doi: 10.1146/annurev-earth-050212-124117.

Jagoutz, O., Behn, M.D., 2013. Foundering of lower island-arc crust as an explanation for the origin of the continental Moho. Nature 504 (7478), 131-134, doi: 10.1038/nature12758.

Zhang, J.B., Liu, Y.S., Ling, W.L., Xu, R., 2020. Recycling of granulitic lower crust into the mantle. Lithos 378-379, 105812, doi: 10.1016/j.lithos.2020.105812.

Wang, Y.F., Zhang, J.F., Jin, Z.M., Green II, H.W., 2012. Mafic granulite rheology: Implications for a weak continental lower crust. Earth and Planetary Science Letters 353–354 (0), 99-107, doi: 10.1016/j.epsl.2012.08.004.