科研亮点｜龚小晗: 大洋岩石圈减薄与初始俯冲的地幔岩石学视角

2021-10-05     发布：    点击：51次

大洋俯冲带如何形成（即初始俯冲）是板块构造理论中至今尚未解决的基本问题，也是当前固体地球科学领域广泛关注的基础科学问题之一。近十几年来，基于对现今大洋俯冲体系和造山带内古大洋俯冲体系的综合对比研究以及数值模拟的结果，学术界初步形成了自发型和诱发型初始俯冲两种动力端元模型。然而，关于初始俯冲发生的潜在位置尚存较大争议（如大洋中脊、转换断层、洋底高原边缘、被动陆缘等），其原因在于现今大洋俯冲体系中很难找到与之相对应的实例。

 全球范围内，在古板块汇聚边缘，平行于岩浆弧展布着绵延可达上千公里的蛇绿岩带（例如：加利福利亚、伊朗–安纳托利亚、西藏），这些蛇绿岩被普遍认为形成于古大洋俯冲带弧前环境，是探索俯冲带形成机制的重要窗口。

 针对上述科学问题，海洋学院青年教师龚小晗，在其博士后合作导师许继峰教授（通讯作者）与博士导师史仁灯研究员（共同通讯作者）的共同指导下，重点研究了西藏南部代表新特提斯洋俯冲产物的普兰蛇绿岩，主要取得以下认识：

 （1）普兰地幔橄榄岩（二辉和方辉橄榄岩）普遍含有少量的尖晶石-辉石后成合晶体（代表了高压石榴石的分解产物），且具有宽泛的矿物学（尖晶石Cr#: 0.2– 0.8）和Os同位素模式年龄组成（可达 ~20亿年）。这些重要特征不同于深海橄榄岩所代表的新生大洋岩石圈的组成，而是更接近洋岛橄榄岩捕掳体所揭示的成熟大洋岩石圈的组成，表明普兰地幔橄榄岩很可能来源于成熟（厚的）大洋岩石圈底部位置（~85–100 km），随后在地幔上涌过程中发生了石榴石-尖晶石相转变。

 （2）地幔纯橄岩表现出显著的矿物成分（图1b）和Os同位素组成（图2a）变化，反映了与初始俯冲相关的多种熔体（MORB性质、玻安质）渗透交代作用，进一步支持了它们形成于初始俯冲过程。 

 （3）普兰地幔橄榄岩记录了显著的矿物间Li含量与同位素组成不平衡（图2b），表明普兰地幔橄榄岩在遭受熔体渗透作用后快速冷却至Li的扩散封闭温度，因而指示了极快速的（~1– 2 Ma）构造侵位过程。

图1.（a）普兰地幔橄榄岩的矿物学特征. 可类比于洋岛橄榄岩所揭示的成熟大洋岩石圈组成.（b）普兰地幔纯橄岩中单斜辉石的稀土元素特征，反映了多种不同性质熔体的渗透作用. AP-深海橄榄岩; FAP-弧前橄榄岩; OIP-洋岛橄榄岩.

图2. 普兰地幔橄榄岩的Os同位素和橄榄岩矿物Li同位素组成. 

（4）综合上述证据以及前人的工作（如雅江缝合带广泛发育的洋岛型火山岩、雅江蛇绿岩具有大洋核杂岩结构、雅江蛇绿岩含有金刚石等超高压矿物），提出普兰蛇绿岩起源与侵位的新模型（图3）：即新特提斯洋岩石圈在漫长的演化过程中逐步冷却并达到最大厚度（~100 km），随后在广泛的地幔柱作用（~140– 130 Ma）影响下，成熟（厚的）大洋岩石圈逐步被弱化并发生减薄，来自岩石圈深部的石榴石橄榄岩转变为尖晶石橄榄岩。不断减薄的大洋岩石圈形成板内构造薄弱带，进而发育成新的（~130– 120 Ma）俯冲带，并引发弧前伸展，尖晶石橄榄岩在拆离断层作用下快速剥露至海底。

图3. 普兰蛇绿岩的起源与两阶段剥露模型.

 本研究的一个重要认识是成熟的大洋岩石圈可以在地幔柱作用的影响下发生减薄并形成新的俯冲带，从而为探索俯冲带形成机制提供了新的地幔岩石学视角，同时也为理解大洋岩石圈的演化、含金刚石蛇绿岩的成因等提供了新的思路。

 上述成果发表于国际著名地学期刊GSA Bulletin上: Gong Xiaohan, Xu Jifeng*, Shi Rendeng*, Su Benxun, Huang Qishuai, & Huang Xiaoxiao. 2021. Subduction initiation-induced rapid emplacement of garnet-bearing peridotites at a nascent forearc: Petrological and Os-Li isotopic evidence from the Purang ophiolite, Tibet. Geological Society of America Bulletin, 2021, https://doi.org/10.1130/B35960.1.