IODP 360航次新成果——超慢速扩张脊下洋壳组成和结构多样性的成因

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摘要

  近日,国际知名 地学刊物 《Journal of Petrology》 发表了 中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室张维骐博士研究生和刘传周研究员 合作的最新研究成果 “Evidence for Multi-stage Melt Transport in the Lower Ocean Crust: the Atlantis Bank Gabbroic Massif (IODP Hole U1473A, SW Indian Ridge)”。

  近日,国际知名地学刊物《Journal of Petrology》发表了中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室张维骐博士研究生和刘传周研究员合作的最新研究成果“Evidence for Multi-stage Melt Transport in the Lower Ocean Crust: the Atlantis Bank Gabbroic Massif (IODP Hole U1473A, SW Indian Ridge)”。

  大洋中脊是现今地球上最长火山链,也是全球最重要的地壳增生场所。根据全扩张速率,全球洋中脊可以分为快速扩张(>80mm/yr)、慢速扩张(20-80mm/yr)以及超慢速扩张(<20mm/yr)三种类型。其中超慢速扩张脊占据了全球洋脊总长度的36%,主要分布在西南印度洋脊和北冰洋脊。对于快速扩张洋脊(如东太平洋隆)研究的结果表明,洋壳厚度约7km,并具有层状结构,上部洋壳主要由玄武岩和辉绿岩墙组成,下部洋壳为辉长岩。超慢速扩张脊具有两个明显的特征:1)洋壳厚度变化极大,变化范围从0-9.5km,表明沿洋脊轴走向岩浆供给量的剧烈变化;2)超慢速扩张脊通常发育大型拆离断层,可以将深部的下洋壳堆晶岩甚至是地幔橄榄岩直接剥露至洋底,从而形成大洋核杂岩,具有不完整的洋壳结构。

  已有的研究表明,大洋核杂岩的下洋壳岩性组成与结构受岩浆供给量的影响较大。当岩浆供给量较少时(如大西洋的Atlantis Massif),大洋核杂岩下洋壳在成分上通常不发育明显的分层结构,仅发育微弱的塑性变形。但当岩浆供给量比较大时(如西南印度洋的Atlantis Bank),大洋核杂岩的下洋壳具有显著的分层,并发育强烈的塑性变形。根据深潜、拖网和钻探等多种手段,已经清楚地揭示了Atlantis Bank大洋核杂岩在垂向上存在岩性的分带,其中上部以氧化物辉长岩为主,中部以橄榄辉长岩为主,而底部以橄长岩或纯橄岩为主,部分辉长岩发育强烈的塑性变形(图1)。关于岩浆供给量如何影响大洋核杂岩岩性成分与结构的机制,目前尚不清楚

 

IODP 360航次新成果——超慢速扩张脊下洋壳组成和结构多样性的成因

图1 Atlantis Bank核杂岩的位置(a,b)、钻孔位置(c)和推测的内部分层结构(d)

  研究人员经过对2015年国际大洋发现计划(IODP)360航次在西南印度洋Atlantis Bank大洋核杂岩上实施的U1473A钻孔辉长岩开展了系统的岩石学和地球化学研究。Atlantis Bank大洋核杂岩水深~700m,面积约700km2,主体为下洋壳辉长岩。IODP U1473A钻孔总共809m,主体岩性为橄榄辉长岩,并发育有氧化物辉长岩和斜长花岗岩等不同类型的晚期脉体。其中,U1473A钻孔上部(0-589m)变形较强,多处发育糜棱岩带,而下部(589-809m)变形相对较弱。本研究的对象包括岩芯下部弱变形带(Group-I)和上部剪切带(Group-II)的橄榄岩辉长岩。矿物学、岩石学和地球化学特征都表明两组橄榄辉长岩经历了截然不同的熔岩反应过程。其中,Group-I橄榄辉长岩在形成后,与后期Fe-Ti氧化物不饱和熔体发生了熔岩反应,主要堆晶矿物(即橄榄石、单斜辉石和斜长石)均经历了不同程度的溶解和再结晶过程。除了早期与Fe-Ti氧化物不饱和熔体的熔岩反应,Group-II橄榄辉长岩在后期还经历了富Fe-Ti氧化物熔体的熔岩反应,造成橄榄辉长岩不同程度富集钛铁矿和韭闪石。早期的Fe-Ti氧化物不饱和熔体的熔岩相互作用与岩浆房内晶粥体的压实作用有关,而晚期富Fe-Ti氧化物熔体的熔岩反应过程则与拆离断层控制下韧性剪切带的发育密切相关。

  据此建立了在AtlantisBank大洋核杂岩拆离断层发育过程中,其下洋壳的增生过程的两阶段模型(图2)。首先,原始MORB岩浆在下洋壳较深的部位发生侵位形成晶粥体,在压实作用的影响下内部熔体发生显著流动并与早期结晶的橄榄岩辉长岩发生熔岩反应。其次,下洋壳辉长岩体随拆离断层被抬升至塑性变形区域内,发育塑性剪切带。与此同时,早期Fe-Ti氧化物不饱和熔体经过结晶分异形成Fe-Ti氧化物饱和熔体(Fe-Ti玄武质熔体),在拆离断层的控制下汇聚至剪切带内,在剪切作用下逐渐向上流动,与其围岩(即变形橄榄岩辉长岩)发生熔岩反应,并最终沿拆离断层主断裂带附近出露。

 

IODP 360航次新成果——超慢速扩张脊下洋壳组成和结构多样性的成因

图2 Atlantis Bank核杂岩下洋壳的增生历史

  本项成果的意义在于构建了大规模韧性剪切带与超慢速扩张脊岩浆供给量和下洋壳组成和结构多样性之间的内在联系。在岩浆供给量较大的超慢速扩张洋脊(如西南印度洋的Atlantis Bank),下洋壳内部的几百米规模的韧性剪切带可以作为晚期富Fe-Ti熔体向上流动的通道,造成下洋壳上部大量富集氧化物辉长岩,进而导致下洋壳岩性与成分上发生分层。而在岩浆供给量较小的超慢速扩张洋脊(如大西洋Atlantis Massif)对于贫岩浆的大洋核杂岩,由于受辉长岩体快速冷却和应变集中于蛇纹石化橄榄岩等因素的影响,下洋壳辉长岩通常只经历有限的塑性变形,导致晚期富Fe-Ti氧化物熔体难以有效地迁移并聚集到下洋壳上部,从而下洋壳不出现明显的成分与岩性的分层结构。

  原文链接:https://academic.oup.com/petrology/article/61/9/egaa082/5890488

 

编者按

  大洋钻探50年来获得岩芯总长度达40余万米,一直保存在大洋钻探的岩芯库里,所有这些岩芯以及船上获得的数据均向全世界科学家免费开放,科学家们可以根据自己的兴趣申请需要的样品开展研究,在发表成果时注明样品由大洋钻探提供即可。申请样品和数据的流程请参考中国大洋发现计划网站(www.iodp-china.org),或点击阅读原文了解详细信息。

 

撰稿:刘传周

编辑:张 钊