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(duì)人類的宜居性。因此，“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)機(jī)制是國(guó)際學(xué)術(shù)界關(guān)于圈層相互作用的一個(gè)重要前沿課題。 

　　然而，關(guān)于“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)機(jī)制認(rèn)識(shí)還存在一些關(guān)鍵難點(diǎn)亟待突破。已有研究表明，全球超過三分之二的現(xiàn)今活動(dòng)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(huì)以含揮發(fā)分礦物的形式（如OH^-和CO₃^-）被俯沖板片運(yùn)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(jī)制的關(guān)鍵突破點(diǎn)。目前，僅通過數(shù)值模擬以及巖石地球化學(xué)的初步研究，證實(shí)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(xiàn)，然而這一機(jī)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(shí)與系統(tǒng)解剖，這嚴(yán)重制約了對(duì)“俯沖工廠”物質(zhì)循環(huán)機(jī)制的深刻認(rèn)識(shí)。 

　　針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所肖文交院士團(tuán)隊(duì)，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(xì)的區(qū)域大比例尺野外巖性-構(gòu)造填圖、變質(zhì)巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)及熱動(dòng)力學(xué)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(xué)和年代學(xué)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(zhǎng)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(yīng)以及區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)格架之間的時(shí)空演化關(guān)系。 

　　通過詳細(xì)的變質(zhì)巖石學(xué)、礦物學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)模擬及微量元素溫度計(jì)等研究，識(shí)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(xué)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(dòng)力學(xué)相圖模擬、金紅石Zr和石英Ti元素溫度計(jì)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(dá)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(xué)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(jī)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(bào)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(biāo)，具有和高溫榴輝巖耦合一致的地球化學(xué)特征（圖3）。同時(shí)，晚石炭世也是古南天山洋長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)期。上述現(xiàn)象和證據(jù)進(jìn)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(yùn)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(guān)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(guó)科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(xiàng)、以及第三次新疆綜合科學(xué)考察項(xiàng)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(xué)特征和P-T演化史。 

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

圖 4: 深俯沖增生雜巖底劈熔融的首個(gè)巖石記錄。