李洪顏等-NC:提出西太平洋板塊俯沖起始-發(fā)育-成熟新模型
板塊構(gòu)造理論是固體地球科學(xué)的基石,雖然它的提出已經(jīng)超過(guò)了50年,但是板塊俯沖如何開(kāi)始-發(fā)育-成熟這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題仍然沒(méi)有得到很好的解答。此前研究認(rèn)為西太平洋伊豆-小笠原-馬里亞納(IBM)俯沖帶的形成是地球上自發(fā)式起始俯沖的典范,表現(xiàn)為太平洋板塊在重力作用下的垂向下沉。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖和采樣位置圖
近日,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所李洪顏研究員、徐義剛研究員和李翔博士,美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)Jeffrey G. Ryan教授和西北大學(xué)張超教授,分析了IODP 352航次鉆取的小笠原群島弧前玻安巖的B-Sr-Nd-Pb-Hf同位素和主-微量元素(~ 51.3-50.3 Myr; 圖1 U1439和U1442),識(shí)別出早期形成的低硅玻安巖源區(qū)含有俯沖太平洋板塊下洋殼輝長(zhǎng)巖的熔體,無(wú)沉積物和蝕變玄武巖貢獻(xiàn),而晚期形成的高硅玻安巖源區(qū)卻含有沉積物和蝕變玄武巖的流體。
圖2 西太平洋板塊起始俯沖模型卡通圖
該研究揭示出IBM板塊俯沖起始表現(xiàn)為太平洋板塊側(cè)向擠入到原菲律賓板塊之下(圖2),而非之前認(rèn)為的垂向下沉。新的研究揭示最早期的低角度俯沖導(dǎo)致俯沖板塊表面的沉積物和蝕變玄武巖被刮削增生到初生海溝位置,因此最早發(fā)生熔融的板塊物質(zhì)是下洋殼輝長(zhǎng)巖(熔融溫度900至950 ℃),當(dāng)高角度俯沖開(kāi)始,增生楔物質(zhì)被俯沖,但是因?yàn)楦_板塊與初生地幔楔界面溫度降低,新俯沖的沉積物和蝕變玄武巖無(wú)法發(fā)生熔融,僅能發(fā)生脫水(最高溫度780至840°C)交代低硅玻安巖殘余地幔并激發(fā)其進(jìn)一步熔融形成高硅玻安巖。伴隨俯沖帶的進(jìn)一步發(fā)育,新的俯沖板塊物質(zhì)被源源輸入,初生地幔楔被降溫,50 Myr之后,巖漿活動(dòng)向西躍遷~80 km至Mukojima和Hahajima島(圖1; 48-46 Myr),44 Myr之后島弧發(fā)育成熟。研究發(fā)現(xiàn)初始俯沖板塊熔融-脫水過(guò)程無(wú)蛇紋巖的貢獻(xiàn),明顯區(qū)別于成熟島弧。在成熟島弧,俯沖板塊在弧前深度低溫脫水導(dǎo)致上覆地幔蛇紋巖化,蛇紋巖化地幔被俯沖侵蝕進(jìn)入深部俯沖隧道 (> 80 km),蛇紋巖分解釋放流體導(dǎo)致弧火山作用(Li et al., 2021 Nat. Commun.)。該研究揭示IBM起始俯沖可能是全球板塊構(gòu)造調(diào)整背景之下的被動(dòng)產(chǎn)物。
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B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., Li, X., Ryan, J.G., Zhang, C., and Xu, Y.G. 2022. Boron isotopes in boninites document rapid changes in slab inputs during subduction initiation. Nat Commun 13, 993. https://doi.org/10.1038/s41467-022-28637-6

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