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持续性的板块俯冲开始于21亿年前
访问数量:124发布时间:2019-07-31

(刘鹤,孙卫东,Robert Zartman,唐铭)

在漫长的地质历史时期中,地球的板块俯冲样式随着地幔温度的降低发生过重要的转变。在地球的早期,其构造样式以滞留盖型(Stagnant-lid)垂向构造体制为主,此时的板块俯冲作用多呈短暂的、间歇性的俯冲(Episodic subduction)样式。人们对于这种间歇性的俯冲样式的认识是由数值模拟获得的,表现为大洋板块向温度高于现代地幔160-175°C以上(ΔT>160-175°C)的地幔中俯冲的过程中频繁发生板片断离(break-off)而导致俯冲作用时而进行、时而暂停的现象。后来,随着地幔温度的逐渐降低,板块俯冲的样式才转变成了我们现在所看到的持续性的俯冲(Continuous subduction),表现为大洋板块沿汇聚型板块边界持续性地循环至地幔中。

板块俯冲样式的改变对于大陆地壳的演化、造山作用的过程、地幔的热状态变化、以及地球内部物质循环等都有非常深远的影响。本世纪以来,人们对于板块构造的开始时间问题展开了一系列研究,虽然至今尚未形成定论,但大部分学者认同,板块俯冲作用于太古宙便已存在。但是关于板块俯冲样式的改变,研究者甚少。而对于从间歇性俯冲向持续性俯冲的转变时间问题,成果更为有限。

中国科学院海洋研究所的孙卫东研究员,指导其博士后刘鹤,联合国际著名地球化学家Robert Zartman教授和Rice大学青年才俊唐铭博士,采用统计学手段处理了全球~55000件基性岩浆岩样品的地球化学数据,以全新的方法和视角对这一问题展开了深入研究。

因为板块俯冲会将冷的大洋板块俯冲循环至热的地幔中,那么如果板块俯冲样式在地质历史时期的某一时刻从间歇性俯冲转变为持续性俯冲,其中一个重要结果就是会加速地幔的降温。而地幔温度的降低必然导致地幔熔融程度降低,从而导致幔源岩浆岩的成分的变化甚至类型的改变,例如:科马提岩数量的减少和碱性玄武岩数量的增加。基于这一思考,我们首先选取了当今地球上两处典型的弧-陆构造体系来查看一些不相容元素的地球化学行为,思考其与地幔热状态的关系;而后再将研究目标扩展至地质历史时期全球范围的基性岩浆岩,从而探索持续性板块俯冲作用的开始及其对地幔温度所造成的影响。

我们选取了南美洲南部和亚洲东部作为当今地球上两处典型弧-陆构造系统来分析弧玄武岩和陆内玄武岩中NbTiPSiO2元素的分布特征。玄武岩的年龄限制在0-5 Ma,选取如此年轻的岩石的原因是这些岩石现在的位置基本上就代表了其形成的构造环境。通过图1和图2可以看出,陆内玄武岩以碱性玄武岩为主,其NbTiP等元素含量明显高于弧玄武岩,而弧玄武岩的NbTiP元素含量较低但SiO2含量相对偏高(多数>49 wt%)。如果将弧玄武岩和陆内玄武岩作为整体,求其与SiO2的相关性图解,则可发现NbTiP元素均与SiO2负相关。无论是南安第斯山-南极洲半岛,还是东亚-西太平洋沿岸,均有此特征。

1南安第斯山和南极半岛的镁铁质岩浆岩中NbTiP元素含量分布特征。

 

2亚洲东部镁铁质岩浆岩中NbTiP元素含量分布特征。

 

造成NbTiPSiO2负相关的主要原因是在当今地球上的弧-陆构造系统内同时具有陆内碱性玄武岩和弧亚碱性玄武岩,是现在乃至显生宙地幔温度条件下的特有产物。碱性玄武质岩浆通常形成于低度地幔熔融,它们在地幔温度很高的太古宙则十分少见,这是因为太古宙的高温地幔更利于高度地幔熔融的发生。有鉴于此,我们对所有显生宙和太古宙的基性岩做出Nb-SiO2TiO2-SiO2P2O5-SiO2相关性图,结果显示,显生宙的基性岩的NbTiP均与SiO2呈负相关关系(图3),这与南美洲南部和亚洲东部的情况相一致。由此可见,显生宙大量形成的碱性玄武岩导致了低硅玄武岩(SiO2 = 45-49 wt%)中的NbTiP元素的平均含量升高,从而造成了这些元素与SiO2的负相关特征。与之相反的是,太古宙基性岩的NbTiP的平均含量与SiO2并无负相关关系,在图解中呈近似水平的线(图3)。

3太古宙和显生宙镁铁质岩浆岩的NbTiPSiO2含量相关性图 

造成显生宙和太古宙基性岩呈现不同的Nb-SiO2TiO2-SiO2P2O5-SiO2相关性的重要原因是显生宙和太古宙地幔温度的不同。显生宙的地幔温度相对较低,有利于地幔的低度部分熔融,从而形成富含NbTiP的碱性玄武岩。而太古宙的地幔温度较高,有利于地幔发生高度部分熔融,从而形成NbTiP含量较低的更具拉斑质的玄武岩。因此,太古宙的碱性玄武岩相对较少。我们计算了一下地质历史时期碱性玄武岩的比例随时间的变化,岩石数据库中,太古宙的碱性玄武岩占全部基性岩的比例仅为5%左右,而显生宙的碱性玄武岩则占全部基性岩的40%以上(不包括大洋岩浆岩)(图4b)。太古宙如此少的碱性玄武岩很好地解释了为什么图3中太古宙基性岩的NbTiPSiO2没有负相关关系。

为了进一步精确限定碱性玄武岩大量增加的时间,追踪地幔温度降低的历史,我们大量收集了全球35亿年以来形成的基性岩的地球化学数据,并创建了一个新的地球化学指标,命名为Diff (HFSE),来指示某一时代的NbTiP元素与SiO2的相关性变化。该指标的定义如下:

Diff (HFSE) = ω(HFSE)low-Si – ω(HFSE)high-Si

其中,ω(HFSE)low-Si指的是低硅玄武岩(SiO2 = 45-49 wt%)中NbTiP元素的平均含量,ω(HFSE)high-Si指的是高硅玄武岩中NbTiP元素的平均含量。该计算过程采用MATLAB编程实现,时间间隔是0.1 Byr.,图4中显示Diff (Nb)Diff (Ti)Diff (P)的平均值和标准偏差(s.d.)随时间的变化特征。结果表明,3.0-2.1GaGa=十亿年前),三条Diff (HFSE)均在0附近,变化很小;2.1-1.8 Ga,三条Diff (HFSE)均快速从零升高为正值,表明这一时间段内,Nb-SiO2TiO2-SiO2P2O5-SiO2的相关性从太古宙式的不相关型转变为显生宙式的负相关型。而后,Diff (HFSE)始终呈现正值,变化较小。直到最后0.1GaDiff (Nb)Diff (P)又出现了快速升高,这可能与数据库中采样数量过多的新生代裂谷型玄武岩和陆内玄武岩有关,并不具有地质意义。

4Diff (HFSE)随时间的变化特征

三条Diff (HFSE)曲线在2.1Ga的从零到正值的快速增加反映了碱性玄武岩的比例从这一时代起大量增加,而这一过程是地幔温度加速降低的表现,我们将这一现象的原因归于持续性的板块俯冲作用的开始。前人推测的地幔热历史的结果显示,太古代早期的潜在地幔温度(Tp)相比现在高约200-250°C(即ΔT=200-250°C);数值模拟结果显示,在这样高热的地幔温度条件下,大洋板块的强度较弱,板块俯冲呈现间歇性(Episodic subduction)样式,表现为俯冲大洋板片频繁发生浅部断离(break-off)事件。这种样式的俯冲作用下,洋壳循环至地幔的效率将十分低下,从而使得地幔温度的降低速度也较为缓慢。而数值模拟结果指出,地幔温度必须低于持续性俯冲的临界温度(ΔT=160-175°C)才能维持现代样式的持续性俯冲而不发生频繁的板片断离。3.0-2.1Ga时,地幔潜在温度高于临界温度,该时期为间歇性俯冲作用期;约2.1 Ga以后,地幔温度降至ΔT =160-175°C以下,此时的大洋板块才具有维持持续性板块俯冲作用的强度。而持续性的板块俯冲作用一旦发生,便会反过来加快地幔温度下降的速度。这是因为持续性的板块俯冲作用能源源不断地将较冷的洋壳向地幔中循环,从而提高了地幔的降温速率。地幔温度的加速下降导致了下岩石圈地幔(sublithospheric mantle)熔融程度的降低,从而形成了较多的富含NbTiP元素的碱性玄武岩。因此,我们认为图4Diff (Nb)Diff (Ti)Diff (P)2.1 Ga的快速升高是持续性板块俯冲作用的开始所引发的地幔温度快速降低的结果。

 

前人的一些研究工作也已经发现了地幔温度在2.1 Ga前后发生快速降低的现象,如科马提岩的MgO含量的降低,亏损地幔玄武质岩浆形成温度(Tg)的降低等。在我们的数据库中,高熔融程度的基性岩的比例也在2.1 Ga以后大幅度减少。我们的研究指出的开始于2.1 Ga的持续性板块俯冲作用刚好与2.1-1.8 Ga的全球性碰撞造山作用的开始相吻合,持续性的板块汇聚作用及后期的板块碰撞拼合,最终导致了地质历史时期第一个广泛认可的超大陆——Columbia超大陆的形成。

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