返回学校首页

研究亮点

当前位置:首页 / 研究亮点

王凯:混杂岩底辟部分熔融产生碱性弧岩浆及其对俯冲带物质循环的指示意义【GRL,2022】

发布时间:2022-05-17       阅读:2

俯冲带是地球浅表与深部物质交换的重要场所。俯冲隧道中的物质,如沉积物、蚀变洋壳、地幔橄榄岩等均可进入弧下地幔并参与俯冲带岩浆作用。追踪俯冲物质组分以及循环过程对理解汇聚板块边缘的弧岩浆作用具有重要意义。传统的地幔楔交代模型认为弧下地幔源区要么被俯冲板片释放的流体交代,要么与板片熔体相互反应,进而形成俯冲带岩浆。然而,越来越多的观察显示,弧岩浆作用是脉冲式的,往往呈现出短暂的岩浆爆发期、持续约5–35 Ma,期间岩浆产率高达背景值的15倍之多。为了解释上述地质现象,基于数值热力学的模拟,部分学者指出俯冲隧道中的沉积物、大洋地壳和地幔橄榄岩会发生机械混合并形成混杂岩,其间歇性地底辟迁移是产生弧岩浆的可能机制。尽管这一假说得到了数值模拟和高温高压实验岩石学的支持,但仍缺乏基于野外地质研究的相关岩石学证据,使得混杂岩底辟熔融模型在现阶段具有较大的推测性。

针对上述科学问题,我校地球科学与资源学院、“岩石圈构造”求真研究群体硕士研究生王凯在导师蔡克大教授的指导下,以中亚西天山造山带出露的高压超高压变质带和碱性弧岩石带为研究对象,开展了详细的野外、岩相学、年代学、地球化学和热力学模拟工作,取得以下主要认识:

1. 野外观察和年代学研究表明,西天山阿克伢孜高压混杂岩带与阿吾拉勒碱性弧岩石带具有时空相关性(图1)。

2. 以阿克伢孜混杂岩带的平均基质成分为初始物质,热力学模拟表明,在1000–1200 ℃2.8–2.4 GPa1.8–1.4 GPa的地幔楔温压条件下,混杂岩熔融产生的熔体具有与区域碱性弧岩石相似的成分(图2)。

3. 碱性弧岩石中的碳酸盐矿物(方解石)具有与高压混杂岩(铁白云石)相似的C–O同位素组成,表明混杂岩底辟过程可能是俯冲带碳循环的重要方式(图3)。

4. 晚石炭世伊犁中天山板块薄的弧壳(小于30 km)是产生低氧逸度中性(碱性)弧岩石的有利条件(图3)。

本研究不仅为混杂岩熔融模型提供了可靠的岩石学证据,还为俯冲带背景下物质循环方式提供了新的见解:在即将消亡的俯冲带系统中,混杂岩一方面可以沿着冷的俯冲隧道从深部快速折返;另一方面在浮力作用下可发生底辟作用进入地幔楔、熔融并产生碱性弧岩浆(图4)。



图1 西天山地质图(a);峰期变质作用与碱性弧岩浆作用的时间(b)


图2 热力学相平衡模拟结果


图3 碱性弧岩石与高压混杂岩C–O同位素(a);锆石微量元素计算的弧壳厚度与氧逸度(b)


4

图4 冲隧道中混杂岩的折返和底辟熔融

 

上述研究成果近期发表在Nature Index期刊Geophysical Research Letters上:Wang, K., Cai, K.D. *, Sun. M., Wang, X.S., Xia, X.P., Zhang, B., and Wan, B. 2022. Diapir Melting of Subducted Mélange Generating Alkaline Arc Magmatism and Its Implications for Material Recycling at Subduction Zone Settings. Geophysical Research Letters.

全文链接:https://doi.org/10.1029/2021GL097693