俯冲带壳幔相互作用是连接板块俯冲和岛弧岩浆活动的关键环节，极大促进了地壳增生-演化、金属元素迁移-富集-就位成矿和地球各圈层之间的联系。自板块构造学说诞生以来，俯冲带壳幔相互作用就成为固体地球科学的重要课题之一。以往研究主要通过对比岛弧火山岩和洋中脊玄武岩的成分来反演俯冲带熔/流体交代作用，这些研究帮助我们形成对俯冲带壳幔相互作用的基本认识。然而，俯冲地壳衍生的熔/流体如何影响地幔，进而影响岛弧岩浆成分，其过程和机理仍缺乏深入研究。
出露于高压-超高压变质带的造山带橄榄岩主要起源于紧邻俯冲板片的地幔楔底部，与板片来源的熔/流体发生强烈交代反应，形成大量不同类型的交代产物，可以为俯冲带壳幔相互作用研究提供最直接、有效的科学证据（图1）。尤其是造山带橄榄岩中广泛发育交代成因的石榴辉石岩，它们是熔体-橄榄岩反应的集中区，能够用来准确限定交代介质和产物的性质，评估交代反应的影响因素，进而揭示与俯冲带壳幔相互作用相关的地球动力学过程。
图1 俯冲带壳幔相互作用示意图
中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室苏斌博士后与合作导师陈意研究员等，选取苏鲁超高压变质带石榴橄榄岩中的石榴石岩脉和辉石岩脉开展研究。在以往研究中，不同类型的地幔交代岩通常被认为是不同深度（或不同交代介质）壳幔相互作用的产物。本研究发现，这两类交代岩脉具有基本一致的矿物组合、矿物主微量成分、单斜辉石原位Sr同位素（0.7095–0.7099）和形成温压条件（～800 °C, ～5 GPa），表明它们的交代熔体成分相似，都来自于围岩片麻岩。综合岩相学、矿物微量元素（图2）、相关系图解和前人实验岩石学结果，证明熔/岩比在俯冲带深部壳幔相互作用过程中发挥重要作用：在高熔/岩比下，交代形成富石榴石岩；在低熔/岩比下，形成以辉石为主的交代产物。通过定量模拟计算（图3），进一步揭示地幔楔内部低熔/岩比交代反应可形成岛弧高镁安山岩，而高熔/岩比交代反应则形成岛弧高硅富镁埃达克岩。
该项研究揭示熔/岩比在俯冲带壳幔相互作用过程中起关键作用：一方面有效控制交代反应的岩石学过程，形成不同类型的地幔交代岩，其易熔特征可促进地幔部分熔融，成为俯冲带岩浆的重要源区；另一方面显著影响岛弧岩浆的成分特征，促进弧岩浆的演化和大陆地壳的生长。
图2 石榴石岩和辉石岩岩相学(a, b)及其中单斜辉石的微量元素比值图解(c, d)
图3 岛弧埃达克岩和高镁安山岩SiO2-Mg#图解。红色和绿色曲线代表在不同熔/岩比下，交代反应后熔体成分的模拟范围，其中红线代表熔/岩比>1:1，绿线代表熔/岩比<1:1
研究成果发表于Journal of Geophysical Research: Solid Earth.（Su B, Chen Y*, Guo S, Chen S, Li Y B. Garnetite and pyroxenite in the mantle wedge formed by slab-mantle interactions at different melt/rock ratios [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2019, 124: 6504-6522. DOI: 10.1029/2019JB017347）（原文链接）
