徐健等-GRL:云南哀牢山地區(qū)發(fā)現(xiàn)古俯沖沉積物底墊熔融巖石學(xué)證據(jù)
沉積物俯沖是地球物質(zhì)循環(huán)的重要方式之一,是地球表層物質(zhì)進(jìn)入地球內(nèi)部的顯著證據(jù),也是導(dǎo)致地幔不均一的重要原因之一。數(shù)值模擬結(jié)果指示俯沖沉積物由于與上地幔存在較大的密度差(~550 kg/m3),在俯沖過(guò)程中往往會(huì)與俯沖板片脫離,并以底辟體形式浮力上升穿過(guò)地幔最終底墊于上覆板片的地殼之下。地球物理觀測(cè)結(jié)果也表明在現(xiàn)代太平洋俯沖帶(如智利、哥倫比亞-厄瓜多爾和卡斯卡迪亞等)弧前地殼底部普遍存在俯沖沉積物地墊物質(zhì)。將今論古,沉積物底墊過(guò)程在古俯沖帶是否同樣存在呢?
為了探究上述科學(xué)問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心徐健博士后在夏小平研究員和王強(qiáng)研究員指導(dǎo)下,與加拿大皇后大學(xué)Christopher J. Spencer助理教授以及中山大學(xué)尹常青教授合作,在青藏高原東南緣云南哀牢山-紅河構(gòu)造帶(圖1)發(fā)現(xiàn)了古俯沖沉積物底墊熔融的新證據(jù)。

圖1.青藏高原東南緣地質(zhì)簡(jiǎn)圖及采樣位置
詳細(xì)的野外地質(zhì)考察和室內(nèi)分析表明云南元江和元陽(yáng)地區(qū)出露了一套新生代花崗巖(~32–27 Ma)形成于華南大陸地殼俯沖到印支板塊之下的構(gòu)造背景。其原巖組成接近于變質(zhì)硬砂巖,含有大量華南地殼的沉積物;繼承鋯石的年齡分布為2245-41 Ma,其特征峰值(如235 Ma, 470–570 Ma和960 Ma)與華南二疊紀(jì)-三疊紀(jì)沉積巖相同(圖2A);與該地區(qū)同時(shí)代下地殼來(lái)源的其他類(lèi)似的巖石相比具有更高的鋯石δ18O值(可達(dá)10.4‰;圖2B)。這套巖石顯示出類(lèi)似于埃達(dá)克質(zhì)花崗巖的微量元素組成(圖2C-D),具有較高的Sr/Y比值和較低的Y含量(圖3B)。但與典型的埃達(dá)克質(zhì)巖石相比,具有更低的Sr含量(圖3C),指示其源區(qū)有斜長(zhǎng)石和石榴子石的殘留,形成壓力為1.0–1.5 Gpa,相當(dāng)于下地殼深度30-45 km。全巖Sr-Nd-Pb和鋯石Hf-O同位素均顯示二元混合趨勢(shì)(圖2B和3E-F),表明元江-元陽(yáng)埃達(dá)克質(zhì)花崗巖形成過(guò)程中經(jīng)歷了熔體與下地殼基性巖石反應(yīng)。
綜上,該研究團(tuán)隊(duì)提出俯沖沉積底墊是哀牢山-紅河構(gòu)造帶中高δ18O埃達(dá)克質(zhì)花崗巖的主要成因機(jī)制(圖4):在華南板塊俯沖過(guò)程中(path a),俯沖沉積物相對(duì)上地幔具有較低的密度,因此不會(huì)隨著俯沖板片進(jìn)入深部地幔,而是通過(guò)浮力上升(path b),底墊于上覆板片下地殼中(圖4A);下地殼沉積物熔體抽提的過(guò)程中,與基性巖石發(fā)生了廣泛的熔體-巖石反應(yīng)(圖4B)。同時(shí),該研究團(tuán)隊(duì)指出,沉積物相對(duì)下地殼基性巖石具有更高的SiO2含量,更高的產(chǎn)熱元素(如,Th、U和K)含量和更低的密度,沉積物底墊至下地殼這一過(guò)程將會(huì)改變和影響大陸巖石圈的物理和化學(xué)性質(zhì),從而促進(jìn)大陸地殼的大規(guī)模分異。

圖2. (A)繼承鋯石概率密度圖;(B)深熔鋯石(~32-27 Ma)Hf-O同位素組成;(C)原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素圖解;(D)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素圖解。

圖3.元江-元陽(yáng)漸新世埃達(dá)克質(zhì)花崗巖 (A-D) 主微量元素二元圖解;(E-F) Sr-Nd-Pb同位素組成

圖4 (A)哀牢山-紅河構(gòu)造帶漸新世埃達(dá)克質(zhì)花崗巖俯沖沉積物底墊成因模型; (B) 熔體-下地殼基性巖石相互作用;(C)沉積物俯沖-底墊-部分熔融的P-T軌跡。
本研究成果近期發(fā)表在Nature Index期刊Geophysical Research Letters上。本項(xiàng)研究受到二次青藏科考(2019QZKK0702)、國(guó)家自然科學(xué)基金(42130304)和中國(guó)博士后科學(xué)基金(2020M672851)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文信息:Xu Jian (徐健), Xia, Xiao-Ping* (夏小平), Christopher Spencer., Wang, Qiang (王強(qiáng)), & Yin, Chang-Qin (尹常青) (2022). Identification of high δ18O adakite-like granites in SE Tibet: implication for diapiric relamination of subducted sediments. Geophysical Research Letters.

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