大洋中脊是地球上岩浆供应（约95%）和热量交换（约25%）最广泛的地区。软流圈在大洋中脊下方被动上涌而发生减压熔融，形成的熔体通过抽取进入岩浆房并经历结晶分异、岩浆混合等一系列演化过程后结晶形成洋壳。洋壳的成因研究长期以来一直是地球科学领域的重要内容。不同洋脊的洋壳结构具有非常大的变化，其形成过程也不尽相同，主要受控于扩张速率和岩浆供应量。根据全扩张速率，全球洋中脊分为快速扩张（80-180 mm/yr）、慢速扩张（20-55 mm/yr）和超慢速扩张（< 20 mm/yr）三种类型。超慢速扩张（ultraslow spreading）的概念由美国Woods Hole海洋研究所的Henry Dick教授及其合作者于2003年正式提出。超慢速扩张脊的总长度约20000公里，在全球洋脊中占比超过35%，主要包括西南印度洋脊和北极的洋脊体系。超慢速扩张洋壳的结构和形成过程具有以下特征：（1）岩浆在上升过程中发生高度聚集（magma focusing），在轴向上表现为岩浆断块（洋壳）和贫岩浆断块（地幔橄榄岩）的交替出现（图1a）；（2）岩浆供应量极小，洋脊的扩张表现为拆离断层主导的构造伸展，在垂直轴向具有非对称的洋壳结构（图1b）；（3）缺失稳定的岩浆房，辉长岩以侵入体的形式就位于地幔橄榄岩中。超慢速扩张洋壳的结构和形成过程明显区别于慢速和快速扩张脊（图1），已逐渐成为地球科学领域的研究热点和前沿。然而，受限于目前的技术手段，对现今大洋超慢速扩张脊的研究较为有限，尤其对下洋壳辉长岩的连续地、原位的研究仅来自极少量的大洋钻探成果，如位于西南印度洋Atlantis Bank的735B和U1473A钻孔。
图1 不同扩张速率洋脊的洋壳结构（a. 轴向；b. 垂直轴向）
大洋岩石圈的成因研究既可以利用来自现今大洋的直接样品，也可以借助保存在大陆之上的古大洋岩石圈——蛇绿岩。相对于现今大洋岩石圈，蛇绿岩的优势在于可提供连续的岩石和构造剖面，有利于深入的研究洋壳的结构和各岩石类型之间的复杂成因联系。例如，著名的阿曼蛇绿岩就是快速扩张大洋岩石圈保存在大陆之上的最重要代表，有关快速扩张脊洋壳成因的进展很大程度上依据阿曼蛇绿岩的研究成果。然而，形成于超慢速扩张脊的蛇绿岩鲜有报道。虽然利用构造地质学和古地磁学等方法，前人已在多个蛇绿岩中厘定了拆离断层的存在，但对蛇绿岩形成时古洋脊的扩张速率（即慢速、超慢速）尚未有效限制。
针对以上问题，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的刘通博士后、刘传周研究员、吴福元院士及团队成员与Woods Hole海洋研究所的海洋岩石学家Henry Dick教授深入合作，对我国青藏高原的日喀则蛇绿岩开展了详细的野外地质填图和岩石剖面测量，结合系统的岩石学和地球化学研究，将日喀则蛇绿岩厘定为全球最典型的超慢速扩张型蛇绿岩，同时通过日喀则蛇绿岩的研究为认识现今超慢速扩张大洋岩石圈的结构和成因提供了重要参考。
研究显示，日喀则蛇绿岩具有如下三个重要特征：
（1）沿蛇绿岩的展布方向，洋壳厚度变化极大（图2）。西段的吉定和东段的白岗-大竹区地区洋壳厚度约2-3公里，而中段的较大范围洋壳厚度不足1公里甚至缺失，局部以蛇纹石化的地幔橄榄岩为主。重建的洋壳结构显示日喀则蛇绿岩包含西、东两个岩浆断块和中部贫岩浆断块，因此与现今超慢速扩张大洋岩石圈极为相似，存在岩浆的高度聚集。
图2 日喀则蛇绿岩地质图（a）、洋壳结构重建图（约126 Ma；b）和代表性岩性柱状图（c）；图a中的P-P’剖面为实测的吉定下洋壳剖面，进一步的辉长岩成分分析见图3
（2）日喀则蛇绿岩的下洋壳辉长岩被大量后期的辉绿岩脉侵入（图3a）。自剖面底部向上，辉长岩中单斜辉石的成分呈现韵律式的变化，可分为五个单元（图3b-d）。在每一单元中，单斜辉石的Mg#和Cr2O3含量连续降低，而TiO2含量连续升高；相邻单元之间存在成分间断。这种韵律式的辉长岩成分剖面指示日喀则蛇绿岩的下洋壳是由若干小型（约100m厚）岩浆侵入体构成，不同侵入体经历独立的岩浆分异过程。
图3 吉定蛇绿岩下洋壳剖面（a）和辉长岩矿物成分的韵律式变化（b-d）
（3）日喀则蛇绿岩缺失席状岩墙（sheeted dike），辉绿岩呈现不同的产出状态：以席状岩床（sheeted sill）的形式存在于上部洋壳或以不连续的、非席状岩席/岩墙（non-sheeted sills/dikes）的形式侵入下洋壳辉长岩和蛇纹石化地幔橄榄岩。根据详细的构造产状测量，辉绿岩可分为三组：席状岩床、Group-1非席状岩墙、Group-2非席状岩床（图4）。其中，席状岩床和Group-2非席状岩床辉绿岩岩脉走向与下洋壳辉长岩的岩浆流动面理和堆晶层理较为一致；而Group-1非席状岩墙多与辉长岩斜交接触。
图4 日喀则蛇绿岩中辉绿岩的产状（岩脉走向）测量结果
日喀则蛇绿岩是全球保存最完整的蛇绿岩之一，其形成以后未遭受后期构造事件（如蛇绿岩就位、印度-欧亚大陆碰撞等）的强烈肢解。该研究表明它在形成时存在岩浆的高度聚集，即岩浆断块和贫岩浆断块的交替出现。岩浆聚集规律在现今超慢速扩张脊中广泛存在，且已被地球物理学研究证实，但在蛇绿岩中尚属首次报道。因此该研究提出日喀则蛇绿岩形成于超慢速扩张的环境，其洋壳结构明显区别于慢速和快速扩张脊（图1a）。此外，日喀则蛇绿岩吉定地区的下洋壳辉长岩存在韵律式的成分变化特征。这一特征仅在超慢速扩张的西南印度洋脊Atlantis Bank的钻孔辉长岩中报道，而区别于全球其他任何辉长岩成分剖面（如镁铁质-超镁铁质层状岩体、快速扩张脊、蛇绿岩）。韵律式的成分变化指示岩浆以极低频率供应至下洋壳，因此单一岩浆侵入体可以经历独立的岩浆演化过程，免受岩浆混合作用的影响。对比显示，日喀则蛇绿岩形成时的岩浆供应量（或岩浆通量：magma budget）比Atlantis Bank低一个数量级，也明显小于快速扩张环境（如阿曼蛇绿岩）的岩浆供应量，因此是超慢速扩张低岩浆供应的端元代表（图5）。
图5 日喀则蛇绿岩下洋壳辉长岩的单斜辉石成分剖面与西南印度洋Atlantis Bank和阿曼蛇绿岩的对比
日喀则蛇绿岩中的席状岩床明显区别于其他蛇绿岩中广泛存在的席状岩墙，长期以来被看作该蛇绿岩中最独特的特征。该研究揭示辉绿岩存在三种不同的产出状态，侵入下洋壳辉长岩和蛇纹石化地幔橄榄岩，代表蛇绿岩形成过程中的最晚期岩浆事件。结合系统的岩石学和地球化学研究以及现今大洋岩石圈的进展，该研究提出席状岩床的形成受控于超慢速扩张环境下拆离断层的活动（图6）。拆离断层对洋壳结构的最重要影响在于将深部的辉长岩和地幔橄榄岩抬升至浅部甚至洋底，并伴随较大程度的下盘旋转。在这一过程中，拆离断层的下盘可以进一步发育新的高角度断层，导致下盘块体的拆沉（block foundering）或滑脱（mass wasting）。因此，伴随拆离断层的作用过程，辉长岩和地幔橄榄岩可经历多次旋转，其产状亦发生较大变化（高达90°）。随着辉长岩的产出状态发生变化，不同期次、不同供应量的岩浆持续侵入，导致辉绿岩以不同的状态就位，形成日喀则蛇绿岩中独特的席状岩床。席状岩床的形成代表了超慢速扩张脊构造、岩浆事件的完美匹配，而多数情况下这一过程很难完全实现，因此现今超慢速扩张脊辉绿岩的产出状态表现地杂乱无章。以日喀则蛇绿岩的工作模型为基础，结合大洋钻孔数据，可有效预测现今大洋岩石圈中构造-岩浆的耦合关系。
图6 日喀则蛇绿岩中席状岩床的成因模式
系列研究成果的科学意义在于：
（1）将日喀则蛇绿岩厘定为超慢速扩张低岩浆供应的大洋岩石圈的端元代表，提供了超慢速扩张大洋岩石圈的标准剖面；日喀则蛇绿岩有望成为超慢速扩张大洋岩石圈成因研究的重要地区，其科学价值可与著名的阿曼蛇绿岩和Troodos蛇绿岩相媲美。
（2）通过对日喀则蛇绿岩席状岩床的研究，为认识超慢速扩张脊的洋壳结构及其控制机制提供了重要参考，是通过蛇绿岩认识现今大洋岩石圈的重要范例。日喀则蛇绿岩与超慢速扩张大洋岩石圈的对比研究体现了地质学工作的重要思想：将今论古，以古为鉴。
日喀则蛇绿岩超慢速扩张成因的厘定也为其他领域的研究提供了重要的工作基础，例如：
（1）初始俯冲机制和蛇绿岩就位过程。超慢速扩张脊洋底地形起伏极大，拆离断层的抬升作用导致下盘形成显著的正地形（大洋核杂岩）。因此，当超慢速扩张的洋中脊运移至大陆边缘时，大洋核杂岩较难发生俯冲并阻塞在海沟，导致超慢速扩张大洋岩石圈就位于大陆之上。相应地，大洋核杂岩另一侧形成新的俯冲带，实现俯冲带越迁和俯冲再起始。目前，该模型已应用于新特提斯演化和西藏蛇绿岩的研究中（Zhang et al., 2019）。
（2）弧岩浆间断的机制。超慢速扩张脊洋壳厚度小且不连续，大量地幔橄榄岩出露于洋底并发生低温蚀变形成蛇纹岩。蛇纹岩水含量较高、密度和硬度较低，在大洋俯冲过程中倾向于堆叠在海沟形成混杂岩。超慢速扩张的大洋岩石圈发生俯冲时，含水矿物和岩石很难大量俯冲下去，因此对上盘地幔楔的交代也随之减少，导致弧岩浆作用的间歇期（arc gap）。这样的弧间断存在于阿尔卑斯和西藏南部，均可根据超慢速扩张脊的洋壳结构来合理解释（Yang et al., 2020）。
研究成果发表于国际SCI期刊Journal of the Geological Society和Geochemistry, Geophysics, Geosystems。
1. Liu, T., Liu, C.Z., Wu, F.Y., Dick, H.J.B., et al. 2021. The Xigaze ophiolite: fossil ultraslow-spreading ocean lithosphere in the Tibetan Plateau. Journal of the Geological Society, 178, jgs2020-208. https://doi.org/10.1144/jgs2020-208.
2. Liu, T., Dick, H.J.B., Liu, C.Z., Wu, F.Y., et al. 2021. Tectonic controls on block rotation and sheeted sill emplacement in the Xigaze ophiolite (Tibet): The construction mode of slow-spreading and ultraslow-spreading oceanic crusts. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22, e2020GC009297. https://doi.org/10.1029/2020GC009297.
引申文献
1. Yang, J.F., Lu, G., Liu, T., Li, Y., Wang, K., Wang, X.X., Sun, B.L., Faccenda, M., Zhao, L. 2020. Amagmatic subduction produced by mantle serpentinization and oceanic crust delamination. Geophysical Research Letters, 47, e2019GL086257. https://doi.org/10.1029/2019GL086257.
2. Zhang, C., Liu, C.Z., Xu, Y., Ji, W.B., Wang, J.M., Wu, F.Y., Liu, T., Zhang, Z.Y., Zhang, W.Q. 2019. Subduction re-initiation at dying ridge of Neo-Tethys: Insights from mafic and metamafic rocks in Lhaze ophiolitic mélange, Yarlung-Tsangbo Suture Zone. Earth and Planetary Science Letters, 523, 115707. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2019.07.009.
