大洋岩石圈演化是同济大学海洋地质国家重点实验室的重要研究方向之一。近期，同济大学海洋地质国家重点实验室在对国际大洋发现计划（IODP）360航次岩芯样品的研究中取得重要进展。马强博士、周怀阳教授和IODP 360航次首席科学家Henry Dick教授合作的相关成果“Silica-Rich Vein Formation in an Evolving Stress Field, Atlantis Bank Oceanic Core Complex”发表在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。程昊教授课题组硕士研究生徐乃潇的最新成果“Mosaic zircon petrochronology and implications for the ultra-slow spreading process of Southwest Indian Ridge”发表在《Lithos》。
传统的板块构造理论认为，洋中脊是大洋板块扩张的中心，主要通过以岩浆作用为主的洋壳增生实现对称扩张。但是，近二三十年的研究进展表明，上述认识可能只适用于快速扩张洋中脊。由于整体上岩浆供给较为贫乏，超慢速扩张洋中脊处的板块扩张通常由构造伸展和岩浆增生作用协同配合。这导致其常发育拆离断层并具有不对称扩张的特征。同时，拆离断层将下洋壳甚至上地幔岩石从岩石圈深部拖拽到海底表面，形成大洋核杂岩。西南印度洋洋中脊全扩张速率约为14 mm/yr，是超慢速扩张洋中脊的典型代表之一。Atlantis Bank大洋核杂岩位于31º50’S西南印度洋洋脊轴以南95 km，毗邻 Atlantis II 转换断层东壁（图1a-c），形成于11-13个百万年前。Atlantis Bank核杂岩主体岩性为辉长岩，记录了下洋壳中的岩浆增生过程、熔体地球化学特征和运移机制以及构造变形相关应变局部化等重要信息。IODP U1473A钻孔是该区域成功取芯的三个钻孔之一（图1d），总深约809m。
图1 Atlantis Bank位置及钻孔U1473A位置
超慢速扩张洋脊应力场变化
研究人员通过对IODP 360航次获得的长英质脉体及其辉长岩围岩样品的显微构造和岩石地球化学分析，发现了长英质脉体有两个不同成因的世代：第一个世代长英质脉体通常具有逆冲剪切指向，其围岩以氧化物辉长岩为主，有限的氧逸度范围、高磁铁矿/钛铁矿比和角闪石低Cl/F比，表明它们是晚期富Fe-Ti熔体结晶分异的产物；第二世代为长英质脉体通常以橄榄辉长岩为围岩，并产出在与岩墙的接触边界和正断剪切带的边缘，氧逸度变化范围较大，具有低钛磁铁矿/钛铁矿比和角闪石高Cl/F比，说明它们形成过程中有海水衍生挥发分的参与，是蚀变辉长岩重熔的产物。具有不同剪切指向的长英质脉体形成的顺序很可能反映了部分熔融辉长岩不对称底辟侵位至上覆洋壳过程中发生了应力场的反转，同时伴随岩浆晚期挥发分向海水衍生挥发分的转变。这与在大洋核杂岩形成过程中由断层捕获作用导致的扩张速率不对称以及裂谷高地之下热流的明显不对称性相一致（图3）。这项研究建立了下洋壳中构造活动与晚期岩浆活动之间的联系，对认识超慢速扩张洋中脊的动力增生过程有重要意义。
图2 Atlantis Bank增生模式图
马赛克锆石
图3三颗典型马赛克锆石的阴极荧光（CL）照片（第二排为重新填色的图片）
研究人员在IODP 360航次获得的辉长质样品中，首次发现了在阴极射线荧光（CL）下呈现特殊明暗相间矩形方块的马赛克锆石（图2）。通过对马赛克锆石进行年代学、地球化学分析，发现产出于深度较浅的闪长岩和氧化物辉长岩的马赛克锆石是由构造活动导致的脆性变形锆石。马赛克锆石的δ18O值为5.5 ± 0.1‰，接近地幔平均值，和马赛克微结构之间不存在相关性。然而，单颗粒锆石中的马赛克微区与Y元素和裂隙之间具有很好的相关性。研究人员认为，马赛克锆石内部微量元素含量的变化是在结晶过程中产生的，并且与洋中脊拆离断层运动而引起的二次脆性变形有关。大范围的脆性变形使原本坚硬的锆石发生破裂。裂隙作为高渗透性通道导致Pb迅速在晶界扩散丢失，使得马赛克锆石的年龄11.42 ± 0.41 Ma相对于非马赛克锆石的年龄12.16 ± 0.14 Ma更加年轻。锆石的微量元素分布模式与全球大洋锆石相似，但其微量元素的丰度和比值表明其母岩浆来源于更加亏损的正常洋中脊玄武岩（N-MORB）地幔。该研究建立了超慢速扩张洋脊扩张过程中的构造活动与锆石成因之间的联系，首次发现的马赛克结构对锆石形态学分类体系进行了补充。
原文链接
马赛克锆石：https://doi.org/10.1016/j.lithos.2021.106052
超慢速扩张洋脊应力场变化： https://doi.org/10.1029/2019GC008795