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科考发现
缅甸第四纪火山岩研究揭示洋-陆板块撕裂和青藏高原地幔流出
2020-08-18 10:52:36 来源:中科院青藏所 作者: 【 】 浏览:466次 评论:0
  大洋板块和大陆板块由于地壳密度的差异而具有不同的俯冲行为。洋壳因富铁而密度大,陆壳因贫铁而密度小,因此在俯冲带,大洋板块更易俯冲进入深部地幔,而大陆板块则抗拒俯冲。从大洋俯冲到大陆俯冲,由于陆壳与洋壳浮力差异,重的大洋板块与轻的大陆板块之间极易发生板块断离。板块块断离将触发大陆碰撞造山带从深部到地表的链式响应:高压与超高压大陆地壳物质快速折返地表、地表快速隆升和岩浆岩体量和成分突变。缅甸西部岩浆弧位于印缅造山带的东侧,其构造位置极其特殊(图1)。印度板块向东俯冲但向北运动(图1),导致西缅岩浆弧位于超级斜向俯冲带之上,致使正常地幔楔的东西向流动被“冻结”(图5),按常理应当无法孕育弧岩浆。然而缅甸第四纪火山岩星棋罗布(图2),究竟是何种深部动力学机制导致了西缅岩浆弧火山岩喷发?更为重要的是,印度板块北侧为印度大陆岩石圈沿着喜马拉雅造山带正在向青藏高原下俯冲;东南侧为印度大洋岩石圈沿着安达曼-苏门答腊-爪哇向东正在发生俯冲。也就是说,西缅岩浆弧正好位于印度板块洋-陆俯冲的转换带之上 (图1)。俯冲的印度板块洋-陆过渡带是否已经发生断离,以及如何断离?
  针对上述科学问题,中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、中国科学院青藏高原研究所碰撞隆升及影响团队张利云副研究员等,对西缅岩浆弧蒙育瓦和辛古这两个第四纪火山喷发中心开展研究(图2)。详细的岩石地球化学研究结果表明:(1)蒙育瓦火山岩成分复杂,包括低钾拉斑质、中钾钙碱性、高钾钙碱性和钾玄质成分(图3A),贫钛(图3B),轻重稀土分异程度随钾含量逐渐升高(图3C),亏损高场强元素(图3D),整体上具有弧岩浆特征;锶钕同位素特征显示主要来自于亏损地幔熔融(图3E);特别是低钾拉斑质火山岩具有平坦的稀土配分型式(图3C),类似于洋中脊玄武岩,可能代表软流圈上涌至浅部减压熔融的产物;(2)辛古火山岩富钛(图3B),轻重稀土强烈分异(图3C),富集高场强元素(图3D),具有典型板内玄武岩的地球化学特征;锇含量和同位素分析与模拟显示,辛古火山岩形成过程中地壳混染的比例极小(<3%;图3F),锶钕同位素特征反映其来自富集软流圈地幔熔融(图3E)。
  研究认为印度板块洋-陆过渡带正在发生断离,诱发了热的深部软流圈物质上涌(图5B, Li et al., 2008)。上涌的软流圈地幔减压熔融形成类似于洋中脊的低钾拉斑质玄武岩,并通过加热激活了“冻结”的地幔楔发生熔融,形成了第四纪蒙育瓦弧型火山岩(图5A)。进一步,根据火山岩空间分布规律和印度板块俯冲角度空间变化,提出印度板块由北向南渐进撕裂断离(图4)。印度板块的断离所造成的软流圈地幔上涌,也为辛古火山岩形成提供重要的热源和物质。然而,并不像蒙育瓦或呵呖高原板内火山岩那样明显亏损(图3E),辛古火山岩锶钕同位素相对富集。众所周知,青藏高原中北部和东南缘软流圈地幔具有强烈富集特征。锶钕同位素二元混合模拟显示,辛古火山岩地幔源区的异常富集端元,很可能是流出的青藏高原软流圈地幔(图3E)。这一认识与地球物理观测的地幔流动规律相吻合:青藏高原腹地软流圈地幔以南迦巴瓦东构造结为中心呈顺时针流出,然而在高原东南缘北纬26°附近,地幔流动方向发生突变,由南北向变为东西向(图1)。沿实皆断裂喷出的辛古板内火山岩携带有青藏高原异常富集软流圈地幔的信号,表明从青藏高原腹地流出的软流圈地幔物质已经跨过实皆断裂北段,流入西缅之下。考虑到西侧俯冲的印度板片阻挡,印缅造山带又属于超级斜向俯冲带,意味着西缅软流圈以南北向流动为主,再叠加安达曼洋中脊正在扩张的“泵吸效应”,青藏高原流出的软流圈物质可以直抵安达曼海(图1)。
  精确刻画正在发生的板块断离过程,将有助于甄别青藏高原及其他古老造山带板块断离事件,如大型走滑断裂活动以及弧后盆地的扩张。该成果最近发表在国际地学一线期刊Geochemistry, Geophysics, Geosystems (G3)上。本项工作得到基金委重大项目(41490613;41490615)、科技部重点研发计划(2016YFC0600303)、中国科学院A类战略性先导科技专项泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设(XDA20070301)和第二次青藏高原综合科学考察研究专项(2019QZKK0708)的共同资助。
图1.西缅岩浆弧位于印缅造山带东侧,其南侧为印度大洋板块俯冲(蓝色实线为大洋俯冲前缘),北侧为印度大陆板块俯冲(橙色实线为大陆俯冲前缘),造就了西缅岩浆弧特殊的构造位置,位于俯冲的印度板块洋-陆过渡带之上;黄色短线为地幔各向异性,指示地幔流动。粉色箭头指示青藏高原软流圈物质流出方向;蓝色箭头为GPS观测的地表运动。地幔与地壳表面运动方向解耦发生在北纬26°附近。
图2.(A)缅甸第四纪火山岩分布:(B)蒙育瓦和(C)辛古火山喷发中心
图3. 蒙育瓦与辛古火山岩钾(A)、钛(B)、稀土元素(C)与微量元素(D)含量及特征;(C)锶钕同位素特征,简单二元混合显示辛古火山岩携带青藏高原软流圈地幔的富集组分;(D)锇含量和同位素模拟显示,蒙育瓦和辛古火山岩形成过程中地壳混染程度很小
图4 印度板块洋-陆过渡带正在发生由北向南的撕裂断离
图5.(1)印度板块洋-陆断离模型与火山岩形成;(2)地球物理层析成像显示印度软流圈地幔上涌


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