板块俯冲和地幔柱活动是维系地球活力和实现地球层圈间物质循环的两大重要机制。洋岛玄武岩通常被认为是研究深俯冲物质再循环与地幔柱活动的理想对象，夏威夷岛造盾期玄武岩是其中的典范。经典模型认为，俯冲榴辉岩物质随地幔柱上升时，榴辉岩熔体与软流圈地幔橄榄岩由于化学不平衡发生反应，首先生成二次辉石岩，随后二次辉石岩熔体与地幔橄榄岩熔体按不同比例混合，导致夏威夷造盾期岩浆地球化学成分的多样性。二次辉石岩模型可以解释造盾期拉斑玄武岩高MgO、低CaO/Al2O3、高Ni含量和同位素富集等地球化学特征，但无法系统解释Mauna Loa和Mauna Kea两座火山的地球化学组成区别：尽管Mauna Loa相较于Mauna Kea的岩浆具有更低的CaO/Al2O3，且同位素组成更富集，但两者的全岩和橄榄石斑晶中的Ni含量却极为相似。
经典模型忽视了榴辉岩/辉石岩熔融产生的熔体在迁移过程中与岩石圈地幔的反应。针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所的侯永胜博士在李洪颜研究员、王煜研究员和徐义刚院士等人的指导下，开展了一系列高温高压实验，模拟地幔柱环境下熔体与贫瘠方辉橄榄岩地幔的反应，旨在揭示反应温度、反应时间和熔岩比例等实验条件对熔岩成分的影响，探明经过熔体-岩石圈地幔反应后，熔体成分的演化趋势。研究取得主要认识如下：1）在高温条件下，富硅熔体通过溶解橄榄石并沉淀斜方辉石的方式与岩石圈地幔发生反应，高温、长反应时间以及低熔岩比等条件会加剧反应程度（图1）；2）富硅玄武质熔体与方辉橄榄岩在高温下反应可以演化为贫硅苦橄质熔体，在非平衡反应条件下（反应时间为2小时），残余熔体成分受橄榄石溶解、斜方辉石沉淀以及扩散作用的共同控制，随后在由非平衡向平衡反应的转换过程中（反应时间由2小时至24小时），残余熔体成分主要受扩散作用影响（图2）；3）榴辉岩熔体与岩石圈地幔方辉橄榄岩反应可以直接产生高SiO2、MgO和Ni，低CaO/Al2O3的残余熔体，类似夏威夷造盾期拉斑玄武岩。基于实验结果，研究者提出了新的两阶段模型来解释夏威夷造盾期玄武岩成因：在软流圈地幔形成的榴辉岩/辉石岩熔体，在向上运移过程中与贫瘠的方辉橄榄岩地幔发生反应，其中Mauna Kea相较于Mauna Loa，熔岩比更低（第一阶段）；随后反应熔体在浅部与橄榄岩熔体发生岩浆混合，其中Mauna Kea相较于Mauna Loa，橄榄岩熔体比例更高（第二阶段）。两个阶段对熔体中的Ni含量具有均衡作用，导致Mauna Kea和Mauna Loa的岩浆和橄榄石斑晶具有相似的Ni含量（图3）。
该研究为理解地幔柱活动及其相关物质循环机制提供了新的视角。研究成果近期发表在国际地球科学领域期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，该研究受到国家自然科学基金项目（92258303）和国家重点研发计划项目（2022YFF0801002）资助。
论文信息：Hou,Y. S.（侯永胜）,Li,H. Y.*（李洪颜）,Wang,Y.（王煜）,Zhang,Y. F.（张艳飞）,Li,Y.（李元）,Xu,Y. G.（徐义刚） (2024). Experimental insights into the petrogenesis of plume-related magmas: Tholeiite-harzburgite interaction at 2–3 GPa and 1400–1500℃. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,129,e2023JB028467.
论文链接：https://doi/10.1029/2023JB028467
图1. 代表性实验产物结构（左图），包括上方的熔体层、中间的反应边界层（RBL)和下方的方辉橄榄岩层；反应温度、反应时间和熔岩比例对反应边界层厚度的影响（右图），边界层厚度可以代表反应程度
图2. 矿物的溶解-沉淀作用和扩散作用对熔体成分的影响，非平衡状态下熔体成分受橄榄石溶解和斜方辉石沉淀的强烈调控，随后主要受扩散作用影响
图3. 两阶段模型解释Mauna Loa和Mauna Kea橄榄石斑晶具有相似的Ni含量
附件下载：