广州地化所在云南哀牢山地区发现古俯冲沉积物底垫熔融岩石学证据

  • 文/广州地化所 图/广州地化所 (中国科学院广州地球化学研究所)
  • 创建于 2022-05-23
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  沉积物俯冲是地球物质循环的重要方式之一,是地球表层物质进入地球内部的显著证据,也是导致地幔不均一的重要原因之一。数值模拟结果指示俯冲沉积物由于与上地幔存在较大的密度差(~550 kg/m3),在俯冲过程中往往会与俯冲板片脱离,并以底辟体形式浮力上升穿过地幔最终底垫于上覆板片的地壳之下。地球物理观测结果也表明在现代太平洋俯冲带(如智利、哥伦比亚-厄瓜多尔和卡斯卡迪亚等)弧前地壳底部普遍存在俯冲沉积物地垫物质。将今论古,沉积物底垫过程在古俯冲带是否同样存在呢?
  为了探究上述科学问题,中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心徐健博士后在国科大博士生导师、广州地化所夏小平研究员和王强研究员指导下,与加拿大皇后大学Christopher J. Spencer助理教授以及中山大学尹常青教授合作,在青藏高原东南缘云南哀牢山-红河构造带(图1)发现了古俯冲沉积物底垫熔融的新证据。
  详细的野外地质考察和室内分析表明云南元江和元阳地区出露了一套新生代花岗岩(~32–27 Ma)形成于华南大陆地壳俯冲到印支板块之下的构造背景。其原岩组成接近于变质硬砂岩,含有大量华南地壳的沉积物;继承锆石的年龄分布为2245-41 Ma,其特征峰值(如235 Ma, 470–570 Ma和960 Ma)与华南二叠纪-三叠纪沉积岩相同(图2A);与该地区同时代下地壳来源的其他类似的岩石相比具有更高的锆石δ18O值(可达10.4‰;图2B)。这套岩石显示出类似于埃达克质花岗岩的微量元素组成(图2C-D),具有较高的Sr/Y比值和较低的Y含量(图3B)。但与典型的埃达克质岩石相比,具有更低的Sr含量(图3C),指示其源区有斜长石和石榴子石的残留,形成压力为1.0–1.5 Gpa,相当于下地壳深度30-45 km。全岩Sr-Nd-Pb和锆石Hf-O同位素均显示二元混合趋势(图2B和3E-F),表明元江-元阳埃达克质花岗岩形成过程中经历了熔体与下地壳基性岩石反应。
  综上,该研究团队提出俯冲沉积底垫是哀牢山-红河构造带中高δ18O埃达克质花岗岩的主要成因机制(图4):在华南板块俯冲过程中(path a),俯冲沉积物相对上地幔具有较低的密度,因此不会随着俯冲板片进入深部地幔,而是通过浮力上升(path b),底垫于上覆板片下地壳中(图4A);下地壳沉积物熔体抽提的过程中,与基性岩石发生了广泛的熔体-岩石反应(图4B)。同时,该研究团队指出,沉积物相对下地壳基性岩石具有更高的SiO2含量,更高的产热元素(如,Th、U和K)含量和更低的密度,沉积物底垫至下地壳这一过程将会改变和影响大陆岩石圈的物理和化学性质,从而促进大陆地壳的大规模分异。
  本研究成果近期发表在Nature Index期刊Geophysical Research Letters上。本项研究受到二次青藏科考(2019QZKK0702)、国家自然科学基金(42130304)和中国博士后科学基金(2020M672851)等项目的联合资助。


  原文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022GL098541

 

图1.青藏高原东南缘地质简图及采样位置

图2. (A)继承锆石概率密度图;(B)深熔锆石(~32-27 Ma)Hf-O同位素组成;(C)原始地幔标准化微量元素图解;(D)球粒陨石标准化稀土元素图解。

图3.元江-元阳渐新世埃达克质花岗岩 (A-D) 主微量元素二元图解;(E-F) Sr-Nd-Pb同位素组成

图4 (A)哀牢山-红河构造带渐新世埃达克质花岗岩俯冲沉积物底垫成因模型; (B) 熔体-下地壳基性岩石相互作用;(C)沉积物俯冲-底垫-部分熔融的P-T轨迹。

责任编辑:刘虹洁