科研进展

俯冲古特提斯板块和峨眉山地幔柱相互作用研究取得新进展

  

  地球物理证据证明现今俯冲的大洋板块与地幔柱能够发生相互作用。这一过程有着重要的地质与地球物理意义,对地球动力学也具有指示意义。然而地球物理手段很难或者无法发现古俯冲板块-地幔柱相互作用的直接证据。因此古板块俯冲与地幔柱相互作用的机理与过程仍然存在很大争议。

  中国科学院广州地球化学研究所夏小平老师团队徐健博士通过对中国云南元阳县峨眉山大火成岩省两大深成花岗岩侵入体的原位微区锆石Hf-O同位素和U-Th-Pb定年,以及全岩主微量元素、Sr-Nd-Hf同位素等地球化学特征进行分析,为晚二叠世俯冲古特提斯洋板块与峨眉山地幔柱相互作用提供了证据。
图1 峨眉山大火成岩省及其相邻区域的主要地体和峨眉山溢流玄武岩的地质简图(Xiao et al., 2004; He et al., 2003)
  这两大深成侵入体出露于峨眉山火成岩省中带哀牢山构造带的变质杂岩体中 (图1),分别为晚二叠世和早三叠世的A型花岗岩,主要由石英、碱性长石、斜长石、角闪石、黑云母以及锆石和含Fe-Ti氧化物组成。两个花岗岩深成侵入体的SIMS锆石U-Pb年龄分别为晚二叠纪(259±3Ma) 和早三叠纪(248±2Ma) (图2A-B),与峨眉山主要岩浆作用(约260 Ma)同时期或者稍微年轻。它们的主、微量元素和矿物学显示出典型的A型花岗岩特征:高全碱(7.93–9.68 wt%)、高HFSE(如Zr 、Nb、Ta)含量、高FeOT/(FeOT+MgO) (0.87–0.98)、显著亏损Eu、Sr和Ba、高Ga/Al (3.67–5.06)和透长石的出现。
  元阳A型花岗岩具有低Y/Nb (<1.2)、Yb/Ta (<2.0)、高(87Sr/86Sr)i、与峨眉山大火成岩省高Ti玄武岩相似,高Nb/Th (>3.0)比值与地幔柱源区岩浆相似,接近零的εNd(t) (晚二叠纪:,早三叠纪:和亏损εHf(t) (晚二叠纪:,早三叠纪:很好的与峨眉山玄武岩重叠,因此认为其源区可能有峨眉山地幔柱物质的参与。
图2 元阳晚二叠、早三叠A型花岗岩SIMS锆石U-Pb谐和年龄与典型CL图像(A-B)、SIMS锆石δ18O直方图(C-D)、锆石εHf(t)
  原位微区锆石Hf-O同位素分析显示异常低δ18O (晚二叠纪:0.2–2.0‰,早三叠纪:3.2–4.8‰) (图2)、正的εHf(t) (晚二叠纪:1.6–7.0,早三叠纪:3.9–8.8) (图2),暗示了元阳A型花岗岩的源区有不同比例的热液蚀变洋壳的参与。作者通过对受海水蚀变大洋下地壳的年轻辉长岩与地幔柱来源洋岛玄武岩进行了Hf-O同位素二元混合模拟(图3),结果指示形成晚二叠纪、早三叠纪A型花岗岩分别需要80%-90%和30%-40%的高温热液蚀变洋壳的参与。
图3 锆石εHf(t)- δ18O二元混合模拟图 (AOC-蚀变大洋壳源熔融; JG-年轻辉长岩)
  该成果首次报道了元阳晚二叠纪和早三叠纪低δ18O值的A型花岗岩,并提出了扬子板块西部古特斯洋壳与地幔柱相互作用的地球动力学模型(图4)。该模型认为蚀变古特斯洋壳向东俯冲到华南板块之下的上地幔,临近的峨眉山地幔柱可能快速挟带和吸收再循环的岩石圈碎片物质到浅层地幔保存了锆石低δ18O同位素特征,随后形成的混合源减压部分熔融形成了低δ18O同位素A型花岗岩的母岩。地幔柱与俯冲板片的相互作用模型也很好的解释了峨眉山大火成岩省物质(尤其氧同位素)组成的不均一性 。
  
图4 构造模型示意图-俯冲古特提斯板块与峨眉山地幔柱相互作用
  项目成果近期发表于国际期刊《GSA Bulletin》该项研究成果获得了第二次青藏高原科考项目 (2019QZKK0702)和国家重点研发计划(2016YFC0600407)的资助。论文信息如下:
  Xu, J., Xia, X.-P., Wang, Q., Spencer, C. J., He, B., and Lai, C.-K., 2021, Low-δ18O A-type granites in SW China: Evidence for the interaction between the subducted Paleotethyan slab and the Emeishan mantle plume: GSA Bulletin.