俯冲带是地球上最大的物质循环系统，被称为“俯冲工厂”。巨量的碳元素通过“俯冲工厂”被传输至岛弧弧下地幔楔深度（80-150km），或至更深层的下地幔。其中，一部分碳元素经由“变质脱挥发分”和“板片部分熔融”等方式脱离俯冲板片，交代-氧化地幔楔，产生岛弧岩浆作用并孕育弧火山喷发。每年约有15-25兆吨的碳元素，经由岛弧岩浆-火山作用，排出至大气层，显著影响着地球过去、现在和未来的气候-环境变化，以及对人类的宜居性。因此，“俯冲工厂”物质循环机制是国际学术界关于圈层相互作用的一个重要前沿课题。
然而，关于“俯冲工厂”物质循环机制认识还存在一些关键难点亟待突破。已有研究表明，全球超过三分之二的现今活动俯冲带的耦合深度板片表面温度低于600度，属于中低温俯冲带，约有33-66%的水和65-95%的二氧化碳，会以含挥发分矿物的形式（如OH-和CO3-）被俯冲板片运载到更深的地幔（≥80-150km深度），未能有效参与弧下地幔楔的交代作用。因此，富含挥发分和成矿元素的深俯冲增生杂岩研究成为“俯冲工厂”物质循环机制的关键突破点。目前，仅通过数值模拟以及岩石地球化学的初步研究，证实了孕育“弧岩浆作用”的挥发份有来自于深俯冲增生杂岩底劈熔融的贡献，然而这一机制和过程的普遍性未能在古今造山带-缝合带中得到系统证实与系统解剖，这严重制约了对“俯冲工厂”物质循环机制的深刻认识。
针对上述问题，中国科学院新疆生态与地理研究所肖文交院士团队，选取位于吉尔吉斯斯坦南天山Atbashi高压-超高压变质带中的Kembel杂岩带（图1），开展了详细的区域大比例尺野外岩性-构造填图、变质岩石学、岩石地球化学及热动力学模拟研究，并结合南天山构造域内不同岩石类型的地球化学和年代学大数据汇总，系统厘定了古亚洲洋西南缘的古南天山洋盆长期俯冲增生过程中，深俯冲折返的特征性高压-超高压变质岩、壳-幔响应以及区域地球动力学格架之间的时空演化关系。
通过详细的变质岩石学、矿物学、热动力学模拟及微量元素温度计等研究，识别出了一套特殊的高温-超高压榴辉岩，其特征显著不同于该区域常见的低温-高压/超高压榴辉岩。岩相学上，高温榴辉岩的绿辉石基质和石榴石中包裹有海量的它形石英包裹体，以及少量具有疑似“微型-辉绿岩”成分的残余熔体包裹体(图2)。矿物成分上，其石榴石更富镁贫铁和钙，绿辉石具有偏高的锥辉石-普通辉石-透辉石及偏低的硬玉成分（图2）。热动力学相图模拟、金红石Zr和石英Ti元素温度计结果显示，其峰期温度显著高于南天山低温-高压/超高压榴辉岩的典型值（～520-550 ），达到了约820 （图2）。金红石离子探针U-Pb定年显示，其具有和低温-超高压榴辉岩相似的晚石炭世峰期变质年龄（～315Ma）。全岩地球化学上，其Hf/Nd、Nd/Sr、143Nd/144Nd和87Sr/86Sr比值显示出它们可能源自于蚀变洋壳、亏损地幔及大洋沉积物的机械混合（图3），这与区域上典型的低温-超高压榴辉岩（N-MORB，E-MORB和OIB）有显著区别。因此，本研究所报道的高温榴辉岩很可能是深俯冲增生杂岩发生底劈熔融的直接岩石记录(图4)。结合前期工作及数据汇总，提出区域上绝大部分（超过95%）近同期的中基性弧岩浆岩的上述指标，具有和高温榴辉岩耦合一致的地球化学特征（图3）。同时，晚石炭世也是古南天山洋长期俯冲增生过程中的：1）弧岩浆作用主要爆发期，其中岩浆产量约为40km3(km Ma-1)-1；2）陆壳大规模生长和加厚期；3）巨量新生地幔物质上涌期；4）斑岩铜（金）矿的大规模成矿主要时期。上述现象和证据进一步表明，具有“低粘度、低密度和富挥发份”的深俯冲增生杂岩在挥发分运移、弧岩浆作用孕育、以及调节地球“俯冲工厂”物质循环方面具有不可忽略的重要意义和作用。
相关研究成果以Formation of the eclogites of the Atbashi complex, Kyrgyzstan, in a subduction zone m lange diapir为题，发表在Nature旗下期刊Communications Earth & Environment上。中国科学院新疆生态与地理研究所桑苗副研究员为论文第一作者，谭舟副研究员和肖文交院士为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目、新疆维吾尔自治区重大科技专项、以及第三次新疆综合科学考察项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-023-01106-8
图 1: 中亚造山带西南缘南天山Atbashi变质杂岩带中榴辉岩的野外露头特征。
图 2: 南天山Atbashi高温-和低温-超高压榴辉岩的差异性岩相学特征和P-T演化史。
图 3: 区域上不同岩石类型的多学科数据汇总和对比。
图 4: 深俯冲增生杂岩底劈熔融的首个岩石记录。
