（一）合成材料的模拟实验
Hermann等（2001）在K2O-CaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O系统中利用合成材料模拟被俯冲的地壳岩石的相变和熔化关系，集中研究富集H2O和LILE的黑云母和多硅白云母在俯冲带中的稳定性以及它们在俯冲带岩浆形成中所起的作用。在合成的初始材料中添加（100～350）×10-6的微量元素颂埋，以测定“岩石/熔体”的分配关系。该系统产生的高压相为多硅白云母（Phe）、柯石英（Cs）、石榴子石（Grt）、单斜辉石（Cpx）和蓝晶石（Ky）。各个相的稳定范围见图7-1。从图7-1可以看埋樱羡出石榴子石出现在高压、高温区，石榴子石、单斜辉石的含量比随压力、温度的增加而增加。在1080℃、4.2GPa时已无单斜辉石残留。黑云母稳定到900℃、3.0GPa，多硅白云母在3.0GPa压力下可出现在较低的温度下。在3.0GPa压力以上，多硅白云母的稳定温度可达1000℃，压力上限在该研究中还未达到。斜方辉石出现在黑云母、石榴子石稳定范围之间的狭小范围里。在掺和微量元素的所有实验中出现褐帘石（allanite）。图7-2左边为含1.2%过量水的系统、右边为无过量水系统可能出现的反应关系。高压之下的反应可以使单斜弯拍辉石完全消耗：
实验及理论岩石学
实验产物中的熔体总是处于柯石英、单斜辉石和多硅白云母的接触点上，这表明了多硅白云母的熔化反应：
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因为存在少量过量水，上述反应可写成
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在该实验条件下蒸汽和熔体已没有什么区别，因而上式可表达为
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图7-1 俯冲的地壳岩石中矿物相稳定的范围
在3.0GPa以下，黑云母较多硅白云母更稳定，与多硅白云母相似，黑云母的消失是通过下面的反应：
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黑云母向多硅白云母转换的反应为
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无水时，斜方辉石向石榴子石转换的反应是
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如反应（7-2c）继续进行，多硅白云母被消耗，形成K-长石，其中所含的水进入熔体：
图7-2 K2O-CaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O系统的反应关系
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在3.0 GPa以下多硅白云母的熔化反应为
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黑云母的熔化反应为
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这些反应关系在图7-2中都反映出来（Hermann et al.，2001）。
该实验表明，①在被俯冲的地壳岩石中，黑云母及多硅白云母的稳定性使它们能把H2O和大离子亲石元素（LILE）传输到地幔深处。在约950℃和3.0GPa压力下，存在一个与黑云母和多硅白云母熔化有关的不变点（图7-2右边）。在较低的压力之下，黑云母熔化（反应7-8）的温度较多硅白云母熔化（反应7-7）的温度高。根据反应7-7，多硅白云母熔化产生黑云母，因此含水相黑云母和多硅白云母在流体缺乏的熔化过程中存在转熔关系（peritectic relationship）。固相线下黑云母向多硅白云母的转换（反应7-4）储集了流体、K和LILE，并保留到p＞3.0GPa压力下，直到多硅白云母通过反应7-6而熔化。反应7-6左边的反应物集合体（Phe+Cpx+Cs）在很宽的p-t范围内、在俯冲的不同成分的地壳岩中是稳定的。因此，在俯冲的所有地壳岩石中，在榴辉岩相地质条件下，反应7-6是多硅白云母分解的基本反应。多硅白云母的熔化曲线具有正的斜率，在800℃时压力为2.0 GPa，在1000℃时压力为5.5 GPa。在8 GPa处也没有达到多硅白云母稳定的压力上限。如果俯冲板片中超基性岩层的蛇纹石或基性岩层的硬柱石脱水，在有流体存在时，可以发生多硅白云母的部分分解，形成熔体（反应7-2c），形成熔体的体积随温度的增加而增加，多硅白云母消耗的量完全取决于可利用的水量。因为多硅白云母在高压、高温下具稳定性，所以在正常地热梯度下，在俯冲带中缺乏流体时，不可能通过被俯冲岩石的熔融来释放出 LILE和H2O，一些 LILE可能被带到至少300 km的深度。然而，当某些俯冲带温度较高时，会导致多硅白云母在流体缺乏的情况下熔融，使LILE析出。如板片俯冲的角度平缓，俯冲带的温度可高于2.8～4.5 GPa压力范围内多硅白云母及黑云母的稳定温度，这时，在80～150 km的深度上黑云母与多硅白云母的熔化能释放出相当量的LILE。在300 km以下的深度上，多硅白云母会分解为K-锰钡矿（K-hollandite），这样也可释放出LILE。②俯冲过程中地壳岩石特性发生变化。花岗质熔体从地壳岩石中抽取后，残留体的化学成分发生了根本的变化，对本实验的总成分来说，熔体抽取30%以后，残留体的SiO2从60%变化到55%，残留体为“蓝晶石榴辉岩”，与从基性岩产生的榴辉岩矿物成分相同。③反应7-2c和7-6使微量元素再分配，大多数LILE进入了熔体，重稀土元素（HREE）仍保留在残留的石榴子石中。当实验中加进（200～300）×10 -6的 La和Ce，将出现褐帘石。在多硅白云母熔化的情况下，轻稀土元素（LREE）仍相容于残留体中，表明存在一个高度容留LREE的相，这就是褐帘石（allanite）。少量的褐帘石在残留体中就能使LREE从不相容到相容。褐帘石是一种可能影响部分熔化过程中元素析出的重要高压副矿物。因而，在俯冲带的地壳岩石中含褐帘石时，从中抽出的含水熔体可能富集LILE，但其LREE不高（Hermann et al.，2001）。
图7-3 水饱和的洋中脊玄武岩相关系
（二）天然岩石的模拟实验
1.洋中脊玄武岩的相关系
与Hermann等（2001）不同，Schmidt等（1998）用天然岩石作初始材料，研究俯冲的地壳岩石的相关系，总结了俯冲带330km深度以上含水的洋中脊玄武岩（MORB）及250km深度以上含水橄榄岩的相关系，计算了俯冲带岩石中天然含水矿物集合体的含水量。俯冲带内洋中脊玄武岩的相关系见图7-3。水饱和洋中脊玄武岩的最大含水量见图7-4。变质的含K玄武岩中出现多硅白云母或K-锰钡矿（K-hollandite）。还出现榴辉岩相的石榴子石、绿辉石。如处于角闪石的稳定压力范围之上，存在的含水相包括硬柱石、黝帘石、硬绿泥石，偶尔有滑石、十字石。另外出现蓝片岩相的变质集合体“硬柱石-蓝闪石-绿泥石-钠长石/硬玉±多硅白云母”（图7-4中G、K区）。相变过程中，随着温度增加，硬柱石反应形成绿帘石/黝帘石（图7-4中F、I、J区）。绿泥石的分解主要形成石榴子石（图7-4中E、H区）。温度在600℃以上，压力在15～22kbar时，形成角闪石榴辉岩（图7-4中E区）。压力在22～24kbar时，当温度低于660℃，角闪石分解形成硬绿泥石（图7-4中B和D区），蓝片岩转化为硬柱石-榴辉岩（图7-4中A和B区）、角闪石榴辉岩和黝帘石榴辉岩（图7-4中C和D区）。大约在30kbar时，黝帘石达到变质玄武岩（fO=NNO）中最大稳定范围，压力大于30kbar、温度在700℃时黝帘石的分解形成近乎干的榴辉岩（图7-4中O区）。在低温下，在84kbar、830℃时硬柱石达到其最高的稳定温度边界（图7-4中A区）。另外，钠云母形成于12～16kbar、500～650℃，并在22kbar、500～700℃时分解（图7-4中E和部分F区）。
这里要提及硬柱石及多硅白云母的稳定特性。①在黝帘石稳定区以上的压力范围内，硬柱石通过一个反应发生分解：
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这里，石榴子石2较石榴子石1更富钙铝榴石和镁铝榴石组分。在柯石英稳定区这个反应有正的ΔV和正的dp/dt斜率，斜率并随压力增加而增加。当与斯石英交代柯石英的反应线相交时，反应的ΔV变负。因此，压力大于80kbar时，反应（7-9）的 dp/dt斜率为负，这就限制了硬柱石在俯冲带稳定的最大压力范围为80～90 kbar。②多硅白云母是蓝片岩和榴辉岩中的主要含K矿物，通过反应而分解。压力在40 kbar以上时，单斜辉石中能溶解较多的K，多硅白云母分解形成“KAlSi2O6-Cpx+顽火辉石+柯石英+富K流体”。这个反应从40 kbar压力时开始，反应连续进行到多硅白云母的最大稳定压力100 kbar。在这样的高压下，多硅白云母分解形成“K-锰钡矿（KAlSi3O8）+单斜辉石+富 K流体”（Schmidt et al.，1998）。
图7-4 水饱和洋中脊玄武岩的最大含水量
2.地幔橄榄岩的相关系
图7-5是被俯冲的水饱和地幔橄榄岩的相图，同时给出了各种橄榄岩的最大水含量。当压力在80 kbar以下时，水饱和的橄榄岩的主要含水相有蛇纹石，A相，绿泥石，滑石和角闪石。其中含水12.3%的蛇纹石与含水13.0%的绿泥石是重要含水相，它们共同制约了150 km深度以上的含水橄榄岩中水的平衡。不同的含水矿物具有不同的稳定范围，通过不同的脱水反应而脱水：①在天然橄榄岩中，蛇纹石形成于低级水化过程中，最大稳定温度在21 kbar（图7-5 中不变点3）时是720℃。叶蛇纹石在小于21 kbar时分解为“滑石+橄榄石+H2O”；在21～62 kbar时分解为“斜方辉石+橄榄石+H2O”；在更高的压力下（图 7-5 中不变点 4）分解为“A相+斜方辉石+H2O”。②“滑石（含水4.7%）+橄榄石”稳定范围小于100℃，在690℃、10 kbar与720℃、20 kbar范围内分解为“顽火辉石+H2O”，这些都是脱水反应。③在俯冲的橄榄岩中，含水11.8%的A相（Mg7Si2O8（OH）6）在60～70kbar压力下通过水储集反应（water-conserving reaction）交代蛇纹石，尽管在较低压力下通过反应“橄榄石+H2O=A相+蛇纹石”也可以形成A相，但这个反应需要的自由水在俯冲的橄榄岩中不可能获得。在62 kbar压力之上，随着温度的增加，“A相+斜方辉石”分解为“橄榄石+H2O”释放水，这个反应具有中等的正斜率。④在天然的橄榄岩中绿泥石接近斜绿泥石，压力在3 和21 kbar之间时，斜绿泥石分解为“橄榄石+斜方辉石+尖晶石+H2O”，最高稳定温度为870℃，压力在21 kbar以上时，出现反应“绿泥石+斜方辉石=橄榄石+石榴子石+H2O”，这是脱水反应，实验测定的这个反应最大压力为40 kbar，“绿泥石+斜方辉石”的最大稳定范围不超过50 kbar。⑤角闪石在压力为20～30 kbar时分解。在方辉橄榄岩、二辉橄榄岩和富集的地幔岩中，钙质角闪石分解的压力分别为22、25～28 和28～30 kbar。角闪石稳定的高压上限位于角闪石消失线与橄榄岩固相线交切处，即22～30 kbar之间（65～90 km深处），当温度降低时，稳定压力降低数个kbar。当流体中含其他组分时，反应向低压移动，因而总成分为水饱和时，所形成的角闪石稳定压力最高。图7-5不变点2～5之间的反应（角闪石+橄榄石+H2O=绿泥石+斜方辉石+单斜辉石），及低温下绿泥石、蛇纹石稳定区的反应（角闪石+橄榄石+H2O=蛇纹石+绿泥石+单斜辉石）并不释放水。在下插板片中，角闪石通过水储集反应，如“角闪石+橄榄石=斜方辉石+单斜辉石+石榴子石+绿泥石”，又如“角闪石+橄榄石+蛇纹石=斜方辉石+单斜辉石+绿泥石”而分解。因而，只有温度高于绿泥石稳定温度时，例如在图7-5的不变点5-6之间，角闪石的分解才能释放水（Schmidt et al.，1998）。
图7-5 水饱和地幔橄榄岩的相图和橄榄岩的最大含水量
3.俯冲洋壳玄武岩及橄榄岩中的水含量
与图7-4相似，图7-5给出了通过质量平衡计算得到的“水化橄榄岩”的水含量。在高压下的蛇纹石和A相稳定区，不同橄榄岩的水含量为9.1%～10.6%。在较低压力下，当蛇纹石反应形成滑石时，二辉橄榄岩中的水含量从5.1%降到2.5%。在较高温度下，绿泥石与角闪石是稳定的含水相时，二辉橄榄岩中的水含量降到1.1%（在方辉橄榄岩中为0.5%）。如前所述，只有温度在800～850℃和橄榄岩固相线温度（约1000℃）之间时，角闪石的分解才能产生水。在二辉橄榄岩中角闪石的最大含量为19%（在方辉橄榄岩中为9%），但角闪石贡献出的水最大为0.5%（在方辉橄榄岩中为0.2%）。高压下出现的A相虽然与弧火山作用没有直接关系，但通过图7-5中的不变点4，它把水传输到更深处（Schmidt et al.，1998）。
图7-6表达了现代环太平洋俯冲带热结构的两种模型（Schmidt et al.，1998），图7-6A中俯冲洋壳上覆地幔楔橄榄岩的温度高，是“热俯冲带”；而图7-6B中洋壳上覆橄榄岩的温度低，是“冷俯冲带”，存在一个低温“角落”。计算表明：①在俯冲带浅部（10～20 km深），洋壳玄武岩变质形成的蓝片岩可结合水5%～6%。假设一个7 km厚的镁铁质洋壳由等量的玄武岩和辉长岩组成，玄武岩层含水（0.5～0.6）×109gm-2，部分水化的辉长岩层含水为0.18×109gm-2，俯冲沉积物（200～400m厚）含水（0.01～0.02）×109gm-2。在20～70km深度的1m2的垂直断面上，每公里脱水（0.8±0.2）×107g。②总的状况是，大洋岩石圈20km深度内含水（0.71～1.1）×109gm-2，在冷的俯冲带（图7-6B），从洋壳产生（0.12～0.18）×109gm-2的水，从洋壳下面的橄榄岩层产生（0.06～0.16）×109gm-2的水。在中等热和热的俯冲带（图7-6A），从洋壳产生0.1×109 gm-2的水，从洋壳下的橄榄岩产生（0.1～0.3）×109gm-2的水。这些水用以形成弧岩浆。因此俯冲的大洋岩石圈所含（0.71～1.1）×109gm-2水的18%～37%用以形成弧岩浆，这部分水将上升到80～150km深度的地幔楔。其余的30～70%或者是（0.25～0.7）×109g m-2的水将释放到蛇纹石稳定的地幔楔的冷的区域（Schmidt et al.，1998）。
图7-6 具有现代环太平洋俯冲带热结构的俯冲带中含水相的稳定性
图7-7 火山前锋形成的模型
从实验得到的水平衡资料可以推测火山前锋的形成（图7-7）。角闪石的分解不可能形成火山前锋下流体的源。前已述及，蛇纹石和绿泥石是重要的脱水矿物。在冷的俯冲带中（图7-6B），在62kbar压力下，岩石圈中橄榄岩可以冷得低于600℃，蛇纹石将反应为A相，还有硬柱石和多硅白云母将把水带到俯冲带深处。相岩石学资料表明，在约150～200km的任何深度上都出现橄榄岩和洋壳内几种含水相的脱水过程，来自板片的流体水化了上覆地幔楔的一部分。地热使这种水化的地幔楔发生部分熔融，形成岩浆。火山前峰到底形成于何处?地幔楔发生部分熔融的地方应该就是火山前锋所在。这里主要讨论地幔楔的熔融，不讨论俯冲板片来的熔体，火山前锋下的地幔楔中形成熔体的温度可以从原始弧岩浆进行计算，最原始的弧岩浆是玄武质到苦橄玄武质的，弧岩浆及实验资料表明地幔楔形成岩浆的温度在1300～1350℃，弧岩浆分布的广泛性表明弧岩浆能机械分离的温度是1300～1350℃。因而火山前锋的位置决定于1300℃地热等温线的位置以及俯冲带的热结构。这个模型与天然地质实例观察的结果是比较一致的（Schmidt et al.，1998）。