水是上地幔的主要挥发组分之一。地球深部的水循环是高压地球科学研究的热点问题之一。在大洋俯冲带和陆内俯冲带，俯冲板片携带含水地壳物质进入软流圈。再循环地壳物质脱水熔融形成的含水熔体在向上运移的过程中，与地幔橄榄岩发生反应，改变后者的岩石学和地球化学属性。橄榄岩中的含水矿物的广泛存在暗示地幔发生过含水熔体与橄榄岩的相互作用。虽然“干”体系下熔-岩反应的动力学已得到较为深入的研究，但是熔体中水对反应动力学的影响如何？尚缺乏明确认知。这限制了人们对上地幔含水熔体运移和地幔交代机制的深入理解。例如，橄榄岩中含角闪石的斜方辉石岩脉是如何形成的？地幔深部的含水熔体如何运移至浅部？回答这些问题对揭示地球深部动力学理论的具有重要意义。
针对以上科学问题，吉林大学地球科学学院许文良教授科研团队中的王春光副教授与美国布朗大学梁焱教授合作，使用活塞圆筒式高温高压装置，开展了一系列熔体-橄榄岩反应实验和反应结晶实验。取得主要认识如下：
（1）含水玄武质熔体与橄榄岩反应，形成高孔隙度斜方辉石岩反应带（图1）。反应结果不同于无水条件下所形成的纯橄岩或方辉橄榄岩反应带。
（2）熔体中的水改变了体系的热力学性质和反应动力学过程：熔体中的水使橄榄岩发生部分熔融，产生富含斜方辉石组分的熔体和贫辉石橄榄岩；熔-岩界面处，富SiO2的混和熔体（部分熔融的熔体+初始熔体）与残留橄榄岩反应，消耗橄榄石，生成斜方辉石，从而形成斜方辉石岩反应带（图2a-2c）。
（3）如果含水熔体交代浅部地幔或壳-幔边界处，即熔-岩反应伴随着冷却过程，则液相线以下的矿物斜方辉石、单斜辉石、角闪石、斜长石依次结晶，形成含角闪石的橄榄岩-辉石岩-辉长苏长岩序列（图2d-2f，图3）。
（4）实验结果在岩性序列、岩石结构和矿物成分上与天然样品近似，印证了熔体中水对上地幔熔-岩反应动力学的重要影响（图1，图3）。
（5）橄榄岩中斜方辉石岩岩墙和岩脉的出现对含水熔体运移具有指示意义。高孔隙度斜方辉石岩可能作为含水熔体运移的通道。
该系列研究通过高温高压实验模拟，查明了熔体中水对熔-岩反应的动力学的影响，探讨了含水熔体运移和地幔交代的深部过程及机制，为深入理解不同构造背景下地幔不均一性的成因提供了直接的实验岩石学制约。
该项研究得到了国家自然科学基金（91014004, 41602043）和国家关键基础研究项目（2015CB856101）的共同资助。研究成果发表在国际权威地学期刊Contributions to Mineralogy and Petrology 和 Journal of Geophysical Research: Solid Earth上，论文信息如下：
Wang, C., Liang, Y., Xu, W. (2021). Formation of amphibole-bearing peridotite and amphibole-bearing pyroxenite through hydrous melt-peridotite reaction and in situ crystallization: An Experimental Study. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 126, e2020JB019382. https://doi.org/10.1029/2020JB019382
Wang, C., Liang, Y., Dygert, N, Xu, W. (2016). Formation of orthopyroxenite by reaction between peridotite and hydrous basaltic melt: an experimental study. Contributions to Mineralogy and Petrology, 171, 77. https://doi.org/10.1007/s00410-016-1287-z
图1. 含水熔体-橄榄岩反应实验结果（左）与蛇绿岩（右）中的斜方辉石岩-纯橄榄序列
图2. 含水熔体-橄榄岩反应过程（a-c）及反应结晶过程（d-f）的示意图
图3. 含水熔体-橄榄岩反应结晶实验结果（左）与壳幔边界（右）的苏长辉长岩-斜方辉石岩-角闪橄榄岩序列
参考文献
Antonicelli, M., Tribuzio, R., Liu, T., Wu, F. Y. (2020). Contaminating melt flow in magmatic peridotites from the lower continental crust (Rocca d’Argimonia sequence, Ivrea–Verbano Zone). European Journal of Mineralogy, 32, 587–612.
Iyer, K., Jamtveit, B., Mathiesen, J., Malthe-Sørenssen, A., Feder, J. (2008). Reaction-assisted hierarchical fracturing during serpentinization. Earth and Planetary Science Letters, 267, 503–516.
