俯沖帶是地球上最大的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，被稱為“俯沖工廠”。巨量的碳元素通過“俯沖工廠”被傳輸至島弧弧下地幔楔深度（80-150km），或至更深層的下地幔。其中，一部分碳元素經(jīng)由“變質(zhì)脫揮發(fā)分”和“板片部分熔融”等方式脫離俯沖板片，交代-氧化地幔楔，產(chǎn)生島弧巖漿作用并孕育弧火山噴發(fā)。每年約有15-25兆噸的碳元素，經(jīng)由島弧巖漿-火山作用，排出至大氣層，顯著影響著地球過去、現(xiàn)在和未來的氣候-環(huán)境變化，以及對人類的宜居性。因此，“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)機制是國際學術界關于圈層相互作用的一個重要前沿課題。 

　　然而，關于“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)機制認識還存在一些關鍵難點亟待突破。已有研究表明，全球超過三分之二的現(xiàn)今活動俯沖帶的耦合深度板片表面溫度低于600度，屬于中低溫俯沖帶，約有33-66%的水和65-95%的二氧化碳，會以含揮發(fā)分礦物的形式（如OH^-和CO₃^-）被俯沖板片運載到更深的地幔（≥80-150km深度），未能有效參與弧下地幔楔的交代作用。因此，富含揮發(fā)分和成礦元素的深俯沖增生雜巖研究成為“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)機制的關鍵突破點。目前，僅通過數(shù)值模擬以及巖石地球化學的初步研究，證實了孕育“弧巖漿作用”的揮發(fā)份有來自于深俯沖增生雜巖底劈熔融的貢獻，然而這一機制和過程的普遍性未能在古今造山帶-縫合帶中得到系統(tǒng)證實與系統(tǒng)解剖，這嚴重制約了對“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)機制的深刻認識。 

　　針對上述問題，中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所肖文交院士團隊，選取位于吉爾吉斯斯坦南天山Atbashi高壓-超高壓變質(zhì)帶中的Kembel雜巖帶（圖1），開展了詳細的區(qū)域大比例尺野外巖性-構(gòu)造填圖、變質(zhì)巖石學、巖石地球化學及熱動力學模擬研究，并結(jié)合南天山構(gòu)造域內(nèi)不同巖石類型的地球化學和年代學大數(shù)據(jù)匯總，系統(tǒng)厘定了古亞洲洋西南緣的古南天山洋盆長期俯沖增生過程中，深俯沖折返的特征性高壓-超高壓變質(zhì)巖、殼-幔響應以及區(qū)域地球動力學格架之間的時空演化關系。 

　　通過詳細的變質(zhì)巖石學、礦物學、熱動力學模擬及微量元素溫度計等研究，識別出了一套特殊的高溫-超高壓榴輝巖，其特征顯著不同于該區(qū)域常見的低溫-高壓/超高壓榴輝巖。巖相學上，高溫榴輝巖的綠輝石基質(zhì)和石榴石中包裹有海量的它形石英包裹體，以及少量具有疑似“微型-輝綠巖”成分的殘余熔體包裹體(圖2)。礦物成分上，其石榴石更富鎂貧鐵和鈣，綠輝石具有偏高的錐輝石-普通輝石-透輝石及偏低的硬玉成分（圖2）。熱動力學相圖模擬、金紅石Zr和石英Ti元素溫度計結(jié)果顯示，其峰期溫度顯著高于南天山低溫-高壓/超高壓榴輝巖的典型值（～520-550 ），達到了約820 （圖2）。金紅石離子探針U-Pb定年顯示，其具有和低溫-超高壓榴輝巖相似的晚石炭世峰期變質(zhì)年齡（～315Ma）。全巖地球化學上，其Hf/Nd、Nd/Sr、¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值顯示出它們可能源自于蝕變洋殼、虧損地幔及大洋沉積物的機械混合（圖3），這與區(qū)域上典型的低溫-超高壓榴輝巖（N-MORB，E-MORB和OIB）有顯著區(qū)別。因此，本研究所報道的高溫榴輝巖很可能是深俯沖增生雜巖發(fā)生底劈熔融的直接巖石記錄(圖4)。結(jié)合前期工作及數(shù)據(jù)匯總，提出區(qū)域上絕大部分（超過95%）近同期的中基性弧巖漿巖的上述指標，具有和高溫榴輝巖耦合一致的地球化學特征（圖3）。同時，晚石炭世也是古南天山洋長期俯沖增生過程中的：1）弧巖漿作用主要爆發(fā)期，其中巖漿產(chǎn)量約為40km³(km Ma^-1)^-1；2）陸殼大規(guī)模生長和加厚期；3）巨量新生地幔物質(zhì)上涌期；4）斑巖銅（金）礦的大規(guī)模成礦主要時期。上述現(xiàn)象和證據(jù)進一步表明，具有“低粘度、低密度和富揮發(fā)份”的深俯沖增生雜巖在揮發(fā)分運移、弧巖漿作用孕育、以及調(diào)節(jié)地球“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)方面具有不可忽略的重要意義和作用。 

　　相關研究成果以Formation of the eclogites of the Atbashi complex, Kyrgyzstan, in a subduction zone m lange diapir為題，發(fā)表在Nature旗下期刊Communications Earth & Environment上。中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所桑苗副研究員為論文第一作者，譚舟副研究員和肖文交院士為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目、新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項、以及第三次新疆綜合科學考察項目的支持。 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s43247-023-01106-8  

圖 1: 中亞造山帶西南緣南天山Atbashi變質(zhì)雜巖帶中榴輝巖的野外露頭特征。 

圖 2: 南天山Atbashi高溫-和低溫-超高壓榴輝巖的差異性巖相學特征和P-T演化史。 

圖 3: 區(qū)域上不同巖石類型的多學科數(shù)據(jù)匯總和對比。 

圖 4: 深俯沖增生雜巖底劈熔融的首個巖石記錄。