科研进展

广州地化所首次揭示西太平洋板块起始俯冲的岩石地球化学记录

  

  二十世纪地球科学的革命性突破是提出了板块构造理论,起始俯冲是板块构造理论中研究最为薄弱的环节。西太平洋板块于~52 Ma沿伊豆–小笠原–马里亚纳 (IBM) 发生起始俯冲,是国际地学界关注的焦点,美国自然科学基金委相继启动了MARGINS和GeoPRISMS等研究计划,长期关注和支持IBM相关研究。国际大洋发现计划 (IODP) 及其前身三次部署IBM弧前钻探:1978年DSDP Leg 60,1989年ODP Leg 125和2014年IODP 352航次 (图1)。  

 

  图1 IODP 352航次(U1439-1442)钻位及火成岩柱状图。弧前玄武岩(FAB)和玻安岩根据岩性、产状、形成时代和地球化学特征被分别划分为脊轴(axial)和离轴(off-axis)系列。

  弧前玄武岩和玻安岩被认为是与起始俯冲密切相关的两类岩石,其成因研究是解读起始俯冲过程的突破口,但是此前研究一直没有发现这些岩石的化学组成与俯冲起始之间的联系(Pearce et al., 1992, 1999; Reagan et al., 2010)。中国科学院广州地球化学研究所李洪颜特任研究员通过参加IODP 352航次,获取了小笠原弧前玄武岩和玻安岩样品,与英国卡迪夫大学Julian Pearce教授、美国南弗罗里达大学Jeffrey Ryan教授等人开启了长期的国际合作。李洪颜等人通过对IODP 352航次样品详细的地球化学研究,取得如下重要认识:

  (1) 首次揭示了玻安岩与板块起始俯冲的成因联系,发现了西太平洋板块起始俯冲的关键岩石地球化学证据

  弧前玄武岩并不富集Cs–Rb–Ba–Pb–Sr等流体活动性元素,微量元素和Hf–Nd–Pb–Sr同位素联合示踪揭示它们起源于亏损的印度洋型地幔 (M; 图2和3),源区未受俯冲组分影响。通过玻安岩的研究发现:① 玻安岩同时富集Cs–Rb–Ba–Pb–Sr等流体活动性元素和Zr–Hf高场强元素;② 早期的脊轴 (axial) 低硅玻安岩同位素组成由印度洋型演化为太平洋型 (图2和3),eHf与Sm/Hf,Ti/Hf和Nd/Hf成正相关 (如图2c),其富集组分主要为蚀变洋壳熔体,沉积物贡献不明显 (M+S1; 图3);③ 晚期的离轴 (off-axis) 高硅玻安岩Hf同位素变化不明显,Sr–Nd–Pb同位素变化明显,其源区受到沉积物和蚀变洋壳流体的进一步交代 (H+S2; 图2d和3)。这些研究显示,经历弧前玄武岩熔体提取的残留地幔,被初始俯冲的太平洋板块角闪岩相熔体交代并导致其进一步熔融形成玻安岩。  

  图2 (a) 菲律宾板块和太平洋板块玄武岩eHf–eNd对比图解;(b) IODP 352航次玄武岩和玻安岩的eHf–eNd、(c) eHf–Sm/Hf和 (d) eNd–Hf/Nd图解。M:弧前玄武岩地幔;S1:俯冲板块角闪岩相熔体成分;H:熔体交代的弧前玄武岩残留地幔;S2:沉积物+蚀变洋壳流体成分。

  用玻安岩的形成来表征西太平洋板块起始俯冲此前备受争议,因为在弧后盆地也可以形成玻安岩 (Resing et al., 2011)。Peacock et al. (1994) 通过热力学计算研究表明两种洋壳可能发生低压熔融:年轻的洋壳 (< 30 Ma) 发生俯冲和初始俯冲的洋壳 (俯冲的洋壳总长度< 200km)。理论上,IBM起始俯冲会伴随着洋壳低压熔融,但是却从未被证实。该研究发现小笠原玻安岩的地幔源区经历了洋壳熔体的交代,首次厘清了IBM玻安岩与板块起始俯冲的内在联系,认为洋壳角闪岩相熔融是起始俯冲的一个重要标志。  

  图3 IODP 352航次玄武岩和玻安岩之多元同位素成因解释图解。Δ8/4 (Pb) 是在208Pb/204Pb-206Pb/204Pb投图中相对北半球参考线的偏离程度,印度洋型地幔以Δ8/4>20区别于太平洋型地幔。M:弧前玄武岩地幔;S1:俯冲板块角闪岩相熔体成分;H:熔体交代的弧前玄武岩残留地幔;S2:沉积物+蚀变洋壳流体成分; PPS: 太平洋远洋沉积物; AOC: 蚀变洋壳。

  (2) 提出西太平洋板块起始俯冲的新模型

  在充分考虑弧前玄武岩源区无明显的俯冲组分、初始俯冲板块经历了角闪岩相熔融以及沉积物仅贡献于晚期离轴玻安岩等观察事实的基础之上,提出了西太平洋板块起始俯冲的新模型 (图4):A) 起始俯冲发生于Izanagi板块和太平洋板块之间的转换断层;B) 慢速、低角度的起始俯冲导致弧前形成沉积物增生楔;C) 当初始俯冲板块深达榴辉岩相时发生相变而快速下沉和后撤,导致弧前地幔强烈减压熔融形成弧前玄武岩;D) 伴随着俯冲板块的进一步下沉,洋壳表面被迅速加热发生角闪岩相熔融,熔体交代地幔楔并促使其熔融形成脊轴低硅玻安岩 (M+S1);E) 伴随着俯冲板块的持续下沉和后撤,侧向俯冲成型,被增生的沉积物进入地幔,释放流体导致地幔楔发生进一步熔融形成离轴高硅玻安岩 (H+S2)。  

图4 西太平洋板块起始俯冲模型卡通图

  Uyeda和Ben-Avraham (1972) 最早提出西太平洋板块俯冲起始于太平洋和菲律宾板块之间的转换断层。Stern和Bloomer (1992) 和Stern (2004) 发展了该模型,使之成为西太平洋板块起始俯冲最受关注的模型之一。Stern等的模型无法解释弧前玄武岩至玻安岩源区成分的变化,李洪颜等人对这一模型进行了修订 (图4)。IBM弧前地体与世界上一些经典的SSZ型蛇绿岩套 (例如塞浦路斯的Troodos和阿曼的Semail) 在岩石组合上具有很大的相似性,所以上述成果对于研究蛇绿岩的成因具有重要启示。

  该研究受到中科院先导专项 (B类) “地球内部运行机制与表层响应 (XDB18000000)”和国家海洋局专项“全球变化与海气相互作用 (GASI-GEOGE-02)”联合资助,研究成果发表于Earth and Planetary Science Letters。

  Li, H.Y., Taylor, R.N., Prytulak, J., Kirchenbaur, M., Shervais, J., Ryan, J.G., Godard, M., Reagan, M.K. and Pearce, J.A. 2019. Radiogenic Isotopes Document the Start of Subduction in the Western Pacific. Earth and Planetary Science Letters 518, 197–210.