朱弟成：大洋俯冲与大陆碰撞的相互作用形成大陆地壳【NC】

发布时间：2022-11-30       阅读：2次

众所周知，大陆碰撞带形成于初期产生大陆弧岩浆作用的大洋俯冲和随后导致大陆弧岩石圈再造的大陆碰撞，记录了安山质到英安质平均成分大陆地壳的产生过程和导致大陆地壳生长与保存的关键动力学过程。一般认为，碰撞之前的大陆弧岩浆作用记录了俯冲洋壳的再循环、地幔楔加水熔融和新生镁铁质地壳的产生，而大陆碰撞导致了新生和古老地壳的再造、地壳升温熔融和成熟长英质大陆地壳的形成。但仍然不清楚的普适性科学问题是：大陆弧岩石圈的这种再造如何改变了大陆地壳的性质和成分？这种再造过程为何发生在碰撞带？

针对上述科学问题，我校“岩浆作用与青藏高原形成”研究团队朱弟成教授、王青副教授、赵志丹教授、莫宣学教授，联合澳大利亚莫纳什大学Roberto F. Weinberg教授、Peter A. Cawood教授、台湾大学钟孙霖教授、中国科技大学郑永飞教授和中国地质科学院侯增谦研究员，对以青藏高原南部冈底斯岩浆岩带为代表的陆-陆碰撞带岩浆岩（图1），开展了基于大量岩石学、矿物学和地球化学数据的深入研究，取得下述新认识：

（1）发现俯冲期（> 60 Ma）岩浆作用以幔源岩浆分异为主，形成了大量镁铁质-超镁铁质堆晶岩和中钾钙碱性长英质岩浆，同碰撞以先存弧地壳（包括先期底侵玄武岩和堆晶岩）重熔为主，产生大量高钾钙碱性长英质岩浆，碰撞后以先存弧地壳重熔和被动陆缘物质的加入为特征，形成高钾钙碱性和钾玄质长英质岩浆（图2）。

（2）发现岩浆成分在约 70 Ma开始向富硅、富钾和高Th/La方向演化（图3），认为这种成分变化不是增高的俯冲沉积物加入的结果，而是由大陆边缘弧下地壳先存富钾的底侵玄武岩和镁铁质-超镁铁质堆晶岩的重熔引起。

（3）综合考虑不同时代岩浆岩锆石Hf-O同位素（图4）和印度-亚洲汇聚速率随时间的变化，提出岩浆成分在约 70 Ma开始出现的变化是印度-亚洲汇聚速率增加（67-51 Ma）、板片断离（51-45 Ma）和印度-亚洲汇聚速率降低（< 45 Ma）的结果，即高速汇聚以俯冲板片脱水为主，提高了地幔楔中的水化范围、流体通量和温度（67-51 Ma），或断离大洋板片的持续脱水、交代地幔楔来源的或板片窗下部软流圈地幔来源的玄武岩浆反复注入（51-45 Ma），均增高了下地壳底部的玄武岩浆通量和温度，更易于触发先存弧地壳岩石的广泛重熔形成高钾钙碱性长英质岩浆（67-45 Ma），或慢速汇聚有利于俯冲板片升温，更易于俯冲沉积物熔融并交代上覆地幔楔和岩石圈地幔，增厚下地壳和交代岩石圈地幔熔融产生富钾长英质岩浆或钾玄质岩浆（< 45 Ma）。

（4）地质证据和俯冲的低密度大陆地壳的阻隔共同指示下地壳镁铁质-超镁铁质堆晶岩未发生大规模拆沉，而是发生大规模重熔形成富钾长英质岩石形成中上地壳和下地壳镁铁质-超镁铁质熔融残余层（即藏南~60–80 km的双莫霍面），实现冈底斯地壳的密度分选和成分成熟。

（5）通过对比全球其他碰撞带不同时期岩浆岩的岩石学、地球化学和深部过程（如板片回转和断离）的相似性，提出印度-亚洲碰撞带冈底斯岩浆岩记录的这种大洋俯冲期以岩浆分异和堆晶为主，到俯冲晚期、同碰撞和碰撞后以重熔为主的堆晶-重熔两阶段过程（图5），可能是碰撞带大陆地壳产生、化学分异和密度分层的有效过程，促进了地质历史上大陆地壳的长期保存。

该项研究以岩浆记录保存完整、出露良好、年代学数据丰富、控制岩浆产生的运动学过程（如印度-亚洲汇聚方向、汇聚速率以及相关的驱动机制）清晰的印度-亚洲碰撞带冈底斯岩浆岩为例，详细解剖了碰撞带大陆地壳产生和再造的过程与机制，为研究其他碰撞带大陆地壳的产生、密度分层和保存机制提供了独一无二的参照对象。

图1 地球现今地形、冈底斯岩浆岩带在青藏高原的位置和本论文样品分布图

图2 冈底斯岩基全岩Mg#、Al₂O₃、K₂O与SiO₂散点图和典型样品的显微照片和野外照片

图3 冈底斯岩基岩浆成分随时间的变化图（图中黑色线条代表了印度-亚洲汇聚速率）

图4 冈底斯岩基锆石Hf-O同位素成分随时间的演化

图5 碰撞带大陆地壳化学成熟过程示意图

该项研究献给中国地质大学（北京）建校70周年，得到了国家自然基金委重点项目（91755207）、创新群体项目（42121002）、杰出青年基金项目（41225006）、青藏高原二次科考项目（2019QZKK0702）、111计划（B18048）和澳大利亚研究委员会项目（FL160100168）的联合资助。

研究成果发表于《自然通讯》（Nature Communications）：Zhu, D.C.*（朱弟成）, Wang, Q.（王青）, Weinberg, R.F., Cawood, P.A., Chung, S.L.（钟孙霖）, Zheng, Y.F.（郑永飞）, Zhao, Z.D.（赵志丹）, Hou, Z.Q.（侯增谦）, Mo, X.X.（莫宣学）. 2022. Interplay between oceanic subduction and continental collision in building continental crust. Nature Communications, 13, 7141.

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34826-0