王軍等-Geology:俯沖和碰撞期間的致密化引起西南揚(yáng)子克拉通拆沉
克拉通是地球上最古老的穩(wěn)定陸塊,其具有太古代基底和巨厚巖石圈根(可達(dá)250km),克拉通地幔的起源和保存機(jī)制一直是固體地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)??死ǖ蒯J情蠙鞄r經(jīng)過高程度熔融之后的殘留,其虧損玄武質(zhì)組分(如Fe和Ca)以及水。通常認(rèn)為鐵的虧損會降低成分密度,水的虧損會升高粘度,這兩個物理性質(zhì)的改變被認(rèn)為是克拉通地幔長期保持穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。然而一些克拉通(如華北和懷俄明克拉通)在大洋俯沖期間丟失了厚的根,普遍認(rèn)為這是地幔交代作用(含水、富鐵的弧玄武巖加入地幔)的結(jié)果。但是最近的高溫高壓實驗發(fā)現(xiàn)水對地幔粘度的影響有限,反而高氧逸度可以軟化地幔。由于地幔交代作用可以同時改變多個因素(如水、氧逸度和密度),且不穩(wěn)定的克拉通根通常已經(jīng)沉入深部地幔,使得很難了解已經(jīng)丟失的克拉通根的性質(zhì),所以克拉通不穩(wěn)定的主要因素仍然不清楚。此外,已有研究只涉及俯沖環(huán)境的克拉通去根,缺乏碰撞環(huán)境的案例研究。
針對上述科學(xué)問題,中國科學(xué)院廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王軍博士、王強(qiáng)研究員、但衛(wèi)副研究員及其合作者選擇西南揚(yáng)子克拉通作為研究對象。選擇西南揚(yáng)子克拉通的原因如下:首先,前人地球物理研究發(fā)現(xiàn)該克拉通厚度從核部(~200 km)到西南緣(< 80 km)顯著減薄(圖1a-b),減薄的克拉通下面存在地震波高速體,其與克拉通核部相連,即西南揚(yáng)子克拉通發(fā)生過拆沉,且存在未完全拆離的根(圖1c);其次,新生代印度-亞洲碰撞后,始新世克拉通根拆沉誘發(fā)了廣泛的巖石圈地幔來源的鉀質(zhì)巖(圖1b)。因此,利用這些幔源鉀質(zhì)巖可以約束不同深度的巖石圈地幔性質(zhì),并闡明碰撞環(huán)境克拉通不穩(wěn)定的原因。

圖1:(a)中國三個克拉通巖石圈厚度圖;(b)西南揚(yáng)子克拉通始新世鉀質(zhì)巖分布與巖石圈等厚線;(c)圖(a)剖面的P 波層析成像以及地形的變化,YZ=拆沉的揚(yáng)子克拉通根。
本次工作對位于?。▇70 km)和厚(~120 km)巖石圈之上的云南大理和四川鹽源鉀質(zhì)巖(圖1b)進(jìn)行了詳細(xì)的研究,取得了以下新的認(rèn)識:
(1)在相同的MgO(8–15 wt%),大理鉀質(zhì)巖的CaO和FeO比鹽源更低,表明前者地幔源區(qū)更難熔(refractory,虧損玄武質(zhì)組分);另外,大理鉀質(zhì)巖的SiO2比鹽源更高,但Sm/Yb比鹽源更低,表明前者源區(qū)更淺。稀土模擬和主量元素壓力計表明:大理鉀質(zhì)巖的源區(qū)是尖晶石相(~55 km)含金云母的難熔方輝橄欖巖;鹽源鉀質(zhì)巖的源區(qū)是石榴石相(~130 km)含金云母的飽滿二輝橄欖巖。
(2)大理鉀質(zhì)巖的橄欖石斑晶的最高Fo(100×Mg/[Mg+Fe] = 94.2)值比鹽源(Fo = 91.3)更高,前者高Fo橄欖石的氧同位素更低(大理δ18O = 5.2‰;鹽源δ18O = 5.9‰)。因為原生巖漿橄欖石斑晶的最高Fo值與地幔源區(qū)橄欖石Fo值一致,所以橄欖石成分也暗示大理鉀質(zhì)巖的地幔源區(qū)更難熔。但橄欖石-尖晶石的氧逸度計和橄欖石-全巖的鈣濕度計表明大理(△FMQ=1.9±0.3;H2O=6.7±0.9 wt%;1σ)和鹽源鉀質(zhì)巖(△FMQ=1.5±0.1;H2O=6.0±0.2wt%;1σ)都是富水和高氧逸度特征。
(3)由于源區(qū)橄欖巖密度與其橄欖石Fo值負(fù)相關(guān),因此深部巖石圈根的密度比淺部更大(差值~0.044g/cm3)??紤]到深部巖石圈根具有高的氧逸度、水含量和氧同位素,因此其代表早期特提斯洋俯沖階段地幔強(qiáng)烈交代之后的產(chǎn)物(圖2a)?;r漿首先交代深部巖石圈根,剩余少量熔體上升并交代淺部巖石圈,所以淺部巖石圈難熔的性質(zhì)(主量和δ18O)沒有被顯著改變,僅僅微量、水含量和氧逸度被改造。相反,深部巖石圈根所有成分(包括主量和δ18O)都已經(jīng)被改造(圖2b)。
(4)地球物理發(fā)現(xiàn)減薄的巖石圈之下存在未完全拆離的根(圖1c),這與前人數(shù)值模擬結(jié)論一致,即克拉通拆沉是底部致密的根沿著巖石圈中部不連續(xù)面(MLD)從邊緣向內(nèi)部逐漸剝離的,所以現(xiàn)今巖石圈-軟流圈邊界(LAB)應(yīng)該對應(yīng)始新世的MLD。巖漿源區(qū)深度和現(xiàn)今LAB深度的關(guān)系表明大理鉀質(zhì)巖來源于淺部低密度巖石圈,而鹽源鉀質(zhì)巖來源于深部高密度巖石圈根(圖2b)。因此,密度差異是克拉通去根的主要原因,氧逸度和水含量是次要原因,因為淺部和深部地幔都在俯沖階段被氧化和水化了。

圖2.(a)古生代以來多個特提斯洋的俯沖改造了西南揚(yáng)子克拉通根;(b)始新世克拉通下部致密的根自西向東拆沉(依據(jù)圖1和壓力計結(jié)果成圖)。
(5)由于熱脹冷縮效應(yīng),在弧火山存在的高地溫梯度地區(qū),低Fo的巖石圈根相對于軟流圈仍具有正浮力。當(dāng)巖漿停止和構(gòu)造增厚(如陸陸碰撞和平板俯沖)導(dǎo)致巖石圈降溫時,熱致密化可以誘發(fā)成分致密的巖石圈根拆沉。因此,印度-亞洲碰撞導(dǎo)致的熱致密化誘發(fā)了早期俯沖階段成分致密的西南揚(yáng)子克拉通根拆沉,而克拉通內(nèi)部(四川盆地)的巖石圈成分沒有受到早期俯沖改造,所以現(xiàn)今仍然保持穩(wěn)定。減薄的揚(yáng)子克拉通邊緣相對內(nèi)部具有顯著高的地形(圖1c),這種地表隆升也表明高密度根的拆沉。另外,華北和懷俄明克拉通破壞雖然是發(fā)生在俯沖階段,但主要是太平洋平板俯沖之后。因此,平板俯沖和陸陸碰撞誘發(fā)克拉通去根的本質(zhì)可能都與熱致密化相關(guān),當(dāng)然早期成分致密化是去根的前提。
因此,依據(jù)碰撞環(huán)境克拉通拆沉的視角,本次研究認(rèn)為成分和熱致密化是克拉通根拆沉的主要因素。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際地學(xué)著名刊物Geology上,該研究受第二次青藏科考和國家自然科學(xué)基金項目的聯(lián)合資助。
論文信息:Wang Jun (王軍), Wang Qiang* (王強(qiáng)), Xu Chuan-Bing (許傳兵), Dan Wei* (但衛(wèi)), Xiao Zhuo (肖卓), Shu Chutian (舒楚天), Wei Gangjian (韋剛健), 2022. Cenozoic delamination of the southwestern Yangtze craton owing to densification during subduction and collision. Geology. https://doi.org/10.1130/G49732.1

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