大洋钻探玄武岩岩芯研究揭示苏拉威西海盆地幔组成和演化历史

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所属分类:研究成果

近日,国际地学期刊Lithos在线发表了中科院海洋所张国良课题组题为Geochemical constraints on source nature and recycled oceanic crust in the mantle of the Celebes Sea的研究成果,该研究重新审视了国际大洋钻探在苏拉威西海两个钻孔的玄武岩岩芯地球化学组成。研究发现了大量富集型地幔来源的玄武岩,揭示了该海盆存在大量俯冲—再循环组分,对认识边缘海盆的成因和地幔性质具有重要意义。

大洋钻探玄武岩岩芯研究揭示苏拉威西海盆地幔组成和演化历史

1. 苏拉威西海区域构造、大洋钻探站和岩芯取样分布。

新生代以来,西太平洋发育了一系列边缘扩张海盆。这些海盆的洋壳玄武岩通常表现为与印度洋地幔组成类似的同位素特征;然而,印度洋型地幔化学组成变化比较复杂,其起源还存在较大争议。例如,这种地幔组成特征可能来自于大陆地壳物质的拆沉混入、地幔柱物质对软流圈混染、或俯冲循环的洋壳物质或沉积物等。苏拉威西海位于欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块的交界处(图1),形成于始新世时期(47-42 Ma),其面积只有约43万平方公里。但是,该海盆周围发育俯冲带,其大部分可能已经俯冲进入地幔,曾经也可能是一个规模较大的扩张海盆。为了确定苏拉威西海的形成时代和成因,1988年大洋钻探计划(ODP Leg 124)在该海盆两个站位(ODP 767、 770)钻取了洋壳玄武岩,并分析了少量钻孔岩芯的地球化学组成,认为苏拉威西海洋壳与正常亏损型玄武岩(N-MORB)类似。由于测试能力有限和历史原因,这些岩芯并未开展过全面的样品分析和高精度地球化学研究。 

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2. 苏拉威西海钻孔岩芯玄武岩微量和稀土元素组成特征。

实际上,这些钻孔获得的150多米岩芯大部分并未开展过详细的地球化学研究。张国良研究员指导研究生重新从大洋钻探岩芯库选样,并开展了一系列岩相学、电子探针和全岩地球化学研究,重新审视了该海区的地幔组成和成因。根据这些玄武岩的地球化学特征,苏拉威西海洋壳并不具备受俯冲流体影响的典型弧后盆地特征,可能代表一个形成于洋中脊型的扩张中心,或是一个距离俯冲带较远的弧后扩张中心。研究发现,除了N-MORB以外,苏拉威西海海盆岩芯中还存在多个富集型玄武岩(E-MORB)熔岩流(图2)。尤其是,E-MORB和N-MORB在微量元素比值之间(Sm/Yb、La/Sm、Sr/Sr*和Eu/Eu*)和Nd-Hf同位素与微量元素比值之间的线性耦合关系,明确指示了该海盆地幔源区存在一个地球化学上的富集地幔端元(图3、4)。结合富集端元同位素组成与Sr/Sr*(<1)和Eu/Eu*(<1)良好相关关系进行的模拟计算,说明有明确经历了斜长石分异的古代“俯冲再循环”洋壳和沉积物参与了地幔熔融过程。

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3. 苏拉威西海海盆玄武岩微量元素比值相关图

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4. 苏拉威西海海盆玄武岩微量元素比值与同位素组成相关关系。

另外,这些火山岩的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成显示苏拉威西海地幔落在印度洋型地幔组成范围(图5)。该研究还模拟了再循环的洋壳/沉积物组分对亏损地幔的影响(图4、5)。结果也显示,苏拉威西海的富集型地幔同位素组成可以很好地由古代洋壳和沉积物的混入和随时间放射性子体累积而解释。此研究对认识苏拉威西海洋壳成因和地幔组成演化具有重要意义,对揭示西太平洋边缘海盆地幔的印度洋型特征来源也具有参考价值。大洋钻探玄武岩岩芯研究揭示苏拉威西海盆地幔组成和演化历史

5. 苏拉威西海海盆玄武岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成

感谢国际大洋钻探计划岩芯库的样品支持,本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等项目的联合资助。论文第一作者为博士研究生王帅,通讯作者为张国良研究员。
 

论文信息:

Wang, S., Zhang, G., 2022. Geochemical constraints on source nature and recycled oceanic crust in the mantle of the Celebes Sea. Lithos, doi.org/10.1016/j.lithos.2022.106685.

 

撰稿:张国良

编辑:李阳阳