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地球科学与工程学院王孝磊课题组研究大陆边缘弧演化取得重要进展

发布时间:2021-06-11 浏览次数:10

地球以其活跃的板块构造过程区别于太阳系中的其他行星。大洋和大陆板块之间的俯冲作用常在大陆边缘塑造出绵亘千里的“弧形”山带,即“大陆弧”。大陆弧的演化过程一直以来都是地学界的热点,大陆弧既是地震、火山、大陆风化以及碳循环、水循环等过程的重要场所,更是研究大陆起源、地壳演化、矿床成因和气候变化等一系列重大事件的重要对象。

地球历史复杂,构造运动叠加较多,年轻的大陆弧保存较好,包括现在仍在持续的南美洲西缘的安第斯弧,还有消亡不久的青藏高原冈底斯弧和北美洲西缘的科迪勒拉山系,成为研究大陆弧的主要对象。但这些弧地壳由于太年轻,其深部物质大都未出露于地表,获取弧地壳深部信息受限。寻找古老的大陆弧,探寻其中的深部地壳剖面和物质组成可以给我们提供大陆弧演化的更多信息。华南板块在距今约8亿年前(地质上用800 Ma表示,属新元古代)有大陆弧作用的痕迹,该时期又处于全球现代板块构造启动阶段,有望为我们研究古老大陆弧演化提供重要信息。

基于以上认识,南京大学地球科学与工程学院和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室王孝磊教授团队在前期对华南东南部研究的工作基础上,将研究区扩展到华南板块西缘,在川西龙门山推覆带开展了6年的研究,基于多次的详细野外踏勘和室内分析工作,获得了大量新元古代深部地壳物质的资料。博士生李军勇前期的工作(2018, Precambrian Research309: 181–197; 2018, Lithos296–299: 547–562)已经表明,该地区在新元古代可能经历从洋内俯冲到洋陆俯冲的转变。近期,该课题组在龙门山推覆带上最大的新元古代杂岩体(彭灌杂岩,陆弧相关成因,年龄860750 Ma)中识别出深熔成因的混合岩,并对这类特殊岩石进行了详细的野外观察、矿物成分分析、矿物相平衡模拟、全岩地球化学分析以及锆石U-Th-Pb-Hf-O同位素测定(图1)工作。

1.本研究混合岩锆石核边年龄和Hf-O同位素组成,支持混合岩原岩为一套弧前盆地沉积岩,且在其深熔前经历过地表低温水-岩交换反应

混合岩中的锆石大多具有明显的核边结构。核部的锆石受深熔反应影响而形态多样、大小不一,多呈港湾状、短柱状、粒状和自形六边体等,长轴长度为20–120 μm;其韵律环带明显,Th/U比值>0.3,显示出岩浆结晶成因;年龄主要集中在870–830 Ma(少量~930 Ma(图1a,指示该混合岩的原岩是一个接受近源碎屑的沉积岩,其年龄代表了沉积岩沉积作用的最大年龄。环绕于核部锆石生长的边部锆石形态以圆环状为主且其宽度多小于50 μm,未发育环带,Th/U比多<0.1,对应其形成于深熔环境;边部的年龄主体上介于860–815 Ma之间(图1a,可用来指示深熔年龄。值得指出的是,边部的年龄与核部的年龄非常接近。进一步通过计算,确定这套混合岩从其原岩沉积岩接受剥蚀开始沉积到埋藏到深部发生深熔,这样一个过程发生在非常短(小于10个百万年)的时间范围内。进一步的锆石离子探针原位HfO同位素分析结果表明,核部εHf(t=850 Ma)的值介于–3+13之间,大多都表现为正值,而δ18O值(5.37.4‰)接近或稍高于地幔值(图1b)。这表明它们的沉积物源区应主体来源于新生的大陆弧地壳物质。而边部锆石具有明显高的δ18O值(9.3–13.4 ‰)(图1b),指示了沉积物在埋藏前经历过低温水-岩反应过程。

混合岩中常见呈串珠状分布的石榴子石,是深熔作用的产物。混合岩具有强过铝特征,且地球化学特征与典型弧前盆地沉积岩相似。矿物相平衡模拟(封闭体系)结果显示,深熔作用发生于~670℃5.9–8.1 kbar的温压条件,对应的地温梯度显著热于板片上方(P/T ≤ 34℃/kbar),但与大陆弧地壳的热梯度相符合(图2)。

2. a 利用岩石中矿物相平衡关系模拟混合岩深熔的温压条件,该温压条件符合陆弧地壳的环境而非俯冲大洋板片上方; b卡通图示意本研究中岩石的内生循环过程——从弧岩浆作用到风化剥蚀、到弧前盆地沉积、再到借助弧内推覆系统运移至地壳深部并发生熔融

综合以上结果,混合岩的原岩很可能为一套弧前盆地的沉积岩,且物源主要来自于附近的近同沉积的弧岩浆岩,其经历了快速的循环过程:从弧岩浆作用到地表的剥蚀和风化(水-岩交换)再到埋深和熔融——在极短的时间尺度下发生(<10 个百万年)。进一步地,通过结合野外观察的同混合岩化运动学证据(符合弧前推覆的方向)和上述模拟的地温梯度条件,我们认为,该岩石循环的机制最可能是通过弧陆壳内部的弧前推覆断层完成(图2),而不是通过板片俯冲。这样一种未借助板片俯冲通道的弧内自我循环在本研究中被定义为“内生循环”(图2)。

该项研究成果肯定了弧前和弧后的推覆断层系统也能够作为地表物质向深部运移的重要“通道”——连接地表沉积盆地和地壳深部,而这种地壳循环机制的重要性在过去可能常常被忽视或者低估。此外,该研究不仅有助于推广扬子西缘新元古代陆缘弧演化过程,还对俯冲带的循环动力学、物质的再分配以及陆壳的分异过程有着重要的意义:首先,新生的弧地壳可能经历了自我循环过程;其次,推覆断层系统驱动的循环过程可能非常高效;最后,自我循环过程可能伴随着稳定和放射性同位素的解耦,而仅仅放射性同位素可能很难识别这类过程(图1b)。

该研究成果于2021610日以 “Rapid endogenic rock recycling in magmatic arcs为题发表在重要学术期刊《Nature Communications》上(2021DOI: 10.1038/s41467-021-23797-3)。这项工作是由南京大学地球科学与工程学院王孝磊教授团队、北京大学地球与空间科学学院唐铭研究员和美国莱斯大学地球环境与行星科学系Cin-Ty A. Lee教授等共同完成。内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室博士研究生李军勇为论文的第一作者,王孝磊教授为通讯作者。研究工作得到了包括国家基金委杰出青年基金、中央高校基本科研基金、南京大学登峰人才计划和南京大学优秀博士生提升计划A类等项目的资助和支持。