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EPSL期刊发表我院钱生平副研究员和周怀阳教授最新研究成果,揭示俯冲物质深地幔循环过程以及时间尺度和动力学机制

时间:2022-07-15浏览:214

地球是一个多圈层系统,理解不同圈层间的物质和能量交换是认识地球演化的关键。随着洋中脊的扩张,在洋中脊形成的大洋地壳在接近俯冲板块边界的过程中逐渐变冷变重,最终俯冲进入地幔。俯冲的大洋地壳在进入地幔之后的命运如何,是地球科学的前沿和热点问题。近年来地震波成像结果、高温高压相变实验研究和数值模拟等表明:俯冲的玄武质洋壳会滞留在地幔过渡带(410-660km深度)附近;或可以俯冲至核幔边界。因此,研究俯冲板块在地球内部的循环过程和时间尺度,可以为探讨地幔富集过程、地幔对流模式和深部物质循环过程提供关键线索,是理解地球内部物质和能量交换的关键。

针对上述问题,研究人员选择南海扩张期间、扩张期后形成的多座海山作为研究对象(图1),对海山火山岩样品开展Ar-ArU-Pb年代学、全岩地球化学、熔体包裹体、以及矿物原位的元素和Sr-Pb同位素分析,并结合地球物理分析研究工作,取得了如下主要认识:


1 南海及其邻近区域地质图、火山活动时空分布特征及海山采样位置

 

1   南海少部分海山形成于扩张期(16 - 32 Ma),大部分海山形成于扩张期后(< 16 Ma)。扩张期海山火山岩大多是拉斑质玄武岩;而扩张期后海山火山岩大多是碱性玄武岩,具有更大的成分范围。本研究认为,东南亚新生代幔源岩浆成分随时间的变化,主要由源区组成和岩石圈厚度变化共同控制。

2   南海及其周围地区新生代玄武岩地幔源区存在DMM-EM2-FOZO三端元组分,地幔不均一性很大程度上是因年轻俯冲洋壳(< 200 Ma)经地幔过渡带再循环所导致。因此本研究强调,俯冲组分的化学成分多样性对于地幔组成的改造具有非常大的影响(图2)。

 

2 南海海山玄武岩全岩、长石及熔体包裹体Sr-Pb同位素成分与源区特征(DMM-EM2-FOZO三端元混合)

 

3   根据东南亚新生代火山岩的时空演化和岩石地球化学结果,结合深部地震层析成像结果和区域构造背景,本研究提出东南亚新生代火山活动与多个板块先后俯冲所引发的地幔物质上涌减压熔融有关(图3, 4),进而揭示东南亚环形俯冲系统的深部动力过程、岩浆时空演化特征和深部物质循环过程(图3, 4)。

 


3 南海及其周围区域新生代岩浆活动时空、化学成分演化特征

 


4东南亚新生代火山活动成因机制、深部物质循环图解

本项成果的意义在于揭示了俯冲板块的循环过程和时间尺度,及与此相关的地幔不均一性,构建了东南亚多板块俯冲过程和浅部岩浆响应之间的内在联系,从而为该地区的构造演变提供了地质、地球化学和地球物理观测的综合解释。综上,该项研究将有助于更好地理解俯冲组分的循环过程和时间尺度,多个板块俯冲相互作用下深部地幔循环的机理和动力学机制等重要科学问题。

相关成果发表在国际知名学术期刊《Earth and Planetary Science Letters》上,论文第一作者及通讯作者为我院副研究员钱生平,我院周怀阳教授同为通讯作者,合作者包括中科院广州地化所张乐,美国佛罗里达州立大学Vincent Salters,澳大利亚James Cook大学Alex J. McCoy-West,美国休斯顿大学Jonny Wu,法国Clermont Auvergne大学Estelle F. Rose-Koga,新西兰坎特伯雷大学Alexander R.L. Nichols,德国基尔大学Kaj Hoernle。本研究得到国家自然科学基金青年项目(41902044)、重大项目(91428207)和海洋地质国家重点实验室课题MGZ202201)的资助。

 

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X22003156?via%3Dihub


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