Nature Communications:中科院廣州地化所揭示馬里亞納島弧俯沖板塊脫水/熔融的機(jī)制與過程
發(fā)布時(shí)間:2021-10-18
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俯沖板塊的脫水/熔融對(duì)地球?qū)尤﹂g的物質(zhì)與能量循環(huán)至關(guān)重要,其機(jī)制、過程與控制因素一直是固體地球科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。俯沖板塊物質(zhì)(包括沉積物、玄武巖和輝長(zhǎng)巖)、地幔楔蛇紋巖和俯沖板塊巖石圈地幔蛇紋巖(以下簡(jiǎn)稱板塊蛇紋巖)在板塊脫水/熔融過程中扮演的角色一直存在爭(zhēng)議。近日,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員李洪顏、李杰、徐義剛和博士生趙瑞鵬,與日本JAMSTEC研究員Yoshihiko Tamura,美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校教授Robert J. Stern、南弗洛里達(dá)大學(xué)教授Jeffrey G. Ryan,加拿大皇后大學(xué)教授Christopher Spencer合作,分析了西太平洋馬里亞納島弧弧前(forearc)蛇紋巖泥火山、前?。╲olcanic front)和后?。╮ear arc)火山巖(圖1)的Mo同位素,結(jié)合Sr-Nd-Pb-Hf放射成因同位素和主-微量元素,識(shí)別出不同端元組分的流體和熔體特征,區(qū)分出地幔楔和板塊蛇紋巖在板塊脫水/熔融過程中所起的作用。
圖1 馬里亞納匯聚板塊邊緣區(qū)域地圖及采樣地點(diǎn)(修改自Tamura et al. 2011, 2014)。Asùt Tesoru泥火山位于海溝以西72km,Pagan火山以東134km,對(duì)應(yīng)俯沖板塊深度18km;Pagan火山位于馬里亞納前弧,對(duì)應(yīng)俯沖板塊深度120-170 km;NW Rota-1火山位于后弧,對(duì)應(yīng)板塊深度200-220 km。
圖2 馬里亞納蛇紋巖泥火山與火山巖的Mo同位素與微量組成特征
鉬(Mo)在板塊脫水/熔融過程中表現(xiàn)出明顯的流體活動(dòng)性,類似于Cs-Pb-Ba等元素,在殘留板塊中Mo主要進(jìn)入金紅石,板塊的脫水/熔融會(huì)導(dǎo)致Mo同位素(d98/95Mo)的分餾,重Mo進(jìn)入流體/熔體相,輕Mo進(jìn)入金紅石。Asùt Tesoru蛇紋巖泥火山相對(duì)虧損地幔具有重d98/95Mo,輕度富集Mo-Cs-Ba,表明只有形成深度>18km的地幔楔蛇紋巖,或者淺部形成的地幔楔蛇紋巖被俯沖以后受到>18km板塊流體的進(jìn)一步交代才可能構(gòu)成島弧火山巖源區(qū)物質(zhì)。前弧Pagan火山巖伴隨對(duì)應(yīng)俯沖板塊深度增加d98/95Mo降低,Mo-Cs-Ba富集程度降低,Hf-Nd同位素和Hf/Nd比值同步降低,但是Sr-Pb同位素?zé)o明顯變化,經(jīng)典的蝕變玄武巖脫水+沉積物熔融,或者單純的受溫度控制的玄武巖+沉積物混合物脫水/熔融無法解釋這些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)表明前弧火山源區(qū)含有板塊的流體和熔體兩種組分,板塊的脫水和熔融是板塊蛇紋巖流體活動(dòng)所致;兩種組分需要一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”進(jìn)行混合然后供給火山源區(qū),并且隨俯沖深度增加,流體組分減少,熔體組分增加;流體早于熔體到達(dá)“中轉(zhuǎn)站”,這個(gè)“中轉(zhuǎn)站”可能是被俯沖刮削的地幔楔蛇紋巖。后弧火山巖總體具有較輕的Mo同位素,d98/95Mo的升高伴隨Cs-Ba富集程度增加,Ce/Mo增加,Hf/Nd比值降低,Sr-Pb同位素變重,其源區(qū)組成可以用虧損地幔+板塊熔體解釋,其相對(duì)西南Pagan低Sr-Pb同位素和更重d98/95Mo組成的特征表明板塊的熔融是板塊蛇紋巖流體活動(dòng)所誘發(fā)(圖2)。

圖3 馬里亞納島弧俯沖板塊脫水/熔融機(jī)制與過程模型圖
這些現(xiàn)象說明,馬里亞納俯沖板塊的脫水/熔融受控于地幔楔和板塊蛇紋巖的形成-俯沖-脫水過程。淺部(< 80km)蛇紋巖可以被俯沖板塊刮削進(jìn)入深部俯沖隧道,同時(shí)這些蛇紋巖還會(huì)進(jìn)一步被俯沖板塊的流體/熔體交代,俯沖板塊的脫水/熔融受控于巖石圈地幔中蛇紋巖的分解。在200km以淺,俯沖隧道蛇紋巖的多期次分解誘發(fā)了前弧巖漿活動(dòng),200km以深俯沖隧道蛇紋巖消耗殆盡,板塊蛇紋巖的分解誘發(fā)俯沖板塊熔融,導(dǎo)致后弧巖漿活動(dòng)(圖3)。本研究發(fā)現(xiàn)被俯沖的弧前地幔楔蛇紋巖扮演了板塊流體和熔體的“中轉(zhuǎn)站”角色,俯沖板塊蛇紋巖是板塊脫水/熔融的“操縱者”,并且表現(xiàn)出階段性特征,<165km深度受控于水鎂石(brucite)分解,>200km受控于葉蛇紋石(antigorite)分解,板塊蛇紋巖釋放的流體可以提取整個(gè)洋殼的流體活動(dòng)性元素,因此板塊流體/熔體的Pb-Sr同位素反映的是未蝕變輝長(zhǎng)巖-玄武巖的特征,但是因?yàn)樯呒y巖流體中含有極少量的Hf-Nd,板塊熔體Hf-Nd同位素反映的是洋殼表面物質(zhì)組成(約10%沉積物+90%玄武巖)。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》(Nature Communications)。本項(xiàng)研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金(41922020)、中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)B(XDB42020201,XDB18000000)和南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)(GML2019ZD0202)項(xiàng)目的聯(lián)合資助。論文的Mo同位素?cái)?shù)據(jù)在中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所公共技術(shù)服務(wù)中心元素與同位素分析平臺(tái)完成測(cè)試,分析精度國(guó)際領(lǐng)先。
論文信息:Li, H.Y., Zhao, R.P., Li, J. et al. Molybdenum isotopes unmask slab dehydration and melting beneath the Mariana arc. Nat Commun 12, 6015 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26322-8