近日,中國科學院海洋研究所張國良課題組通過對雅浦島弧弧前橄欖巖進行礦物學和地球化學研究,揭示了帕里西維拉海盆南部巖石圈經(jīng)歷了由弧后擴張脊向俯沖帶的轉變過程,闡明了卡洛琳洋底高原超慢速俯沖過程是形成雅浦島弧貧巖漿特征主要原因。成果發(fā)表在國際地學期刊Contributions to Mineralogy and Petrology(中科院一區(qū)刊物)。
島弧形成和演化是板塊構造體系的重要組成部分。雅浦島弧北端與帕里西維拉海盆殘留脊和西南馬里亞納弧銜接,二者海溝水深也相似,但卻表現(xiàn)出顯著不同構造和巖石特征。相比于馬里亞納海溝,雅浦島弧具有異常短的溝弧距(<50 km),島弧主要出露大量變質巖而不是島弧火山巖,弧前正在俯沖是洋底高原(卡洛琳高原),俯沖速率異常低(0-6 mm/yr)。前期研究顯示,卡洛琳洋底高原自21Ma以來開始在雅浦海溝俯沖,地震學研究顯示雅浦島弧下部明顯存在俯沖板片,但為何在俯沖過程中幾乎沒有產(chǎn)生島弧巖漿?雅浦島弧北端上盤明顯是年輕的弧后盆地(帕里西維拉海盆)巖石圈,那么,雅浦島弧北端是否經(jīng)歷了板塊俯沖引起的地幔楔熔融?這些問題本質上是超慢速板塊俯沖環(huán)境下島弧地幔楔熔融和島弧巖漿機制。
本研究搭載“科學”號科考船在雅浦島弧北段獲得一系列玄武質火山巖、基性變質巖和蛇紋巖化橄欖巖(圖1)。構造位置和玄武巖地球化學性質均指示上覆板塊為帕里西維拉海盆基底,本次研究主要對弧前蛇紋巖化橄欖巖開展了系統(tǒng)的巖石學、礦物學和地球化學研究。研究發(fā)現(xiàn),這些橄欖巖可以分為兩組。第一組樣品與深海地幔橄欖巖具有相似的尖晶石組成(圖2)。單斜輝石具有明顯的輕稀土(LREE)虧損特征,或較平緩的稀土元素配分型式。部分熔融模擬表明,它們能夠由虧損上地幔~5%的分離部分熔融或~6%的開放體系部分熔融產(chǎn)生。
第二組橄欖巖樣品與典型弧前橄欖巖組成非常相似:全巖具有低的Al2O3/SiO2,尖晶石具有相對深海橄欖巖異常高的Cr#值(達0.73)和低的Ga/Fe3+#值)。在尖晶石的Cr#-TiO2和100Ti/Fe3+#-Ga/Fe3+#二元相關圖中,第一組樣品均落在地幔橄欖巖與洋中脊拉斑玄武質熔體反應的變化趨勢上,而第二組樣品變化趨勢反映了與島弧熔體發(fā)生了相互作用(圖2-3)。因此,這些結果表明該區(qū)域經(jīng)歷了由弧后擴張脊向俯沖帶轉變的構造演化過程。根據(jù)卡洛琳洋底高原在弧前長期(21 Ma以來)處于超慢速俯沖、雅浦島弧貧巖漿特征,以及地幔楔經(jīng)歷了弧下部分熔融的觀測證據(jù),研究總結指出:超慢速板塊俯沖環(huán)境也存在板塊脫水引起的地幔楔熔融,但是,由于單位地質時間內俯沖進入海溝的板塊長度和脫水量非常有限,使得島弧巖漿產(chǎn)率很低,產(chǎn)生的大部分熔體冷凝于島弧巖石圈內,未能噴出地表,從而形成了貧巖漿型島弧體系(圖4)。
論文第一作者為特別研究助理姚俊華博士,通訊作者為張國良研究員, 合作者包括中國科學院地球化學研究所何德峰高級工程師。樣品獲得受到國家基金委共享航次支持,研究經(jīng)費資助得到中科院戰(zhàn)略先導專項、國家自然科學基金等項目支持。
論文信息:Yao J, Zhang G, Zhang J, He D-F (2023). Petrological and geochemical constraints of mantle peridotites on the magma-starved Yap Arc formed by ultra-slow subduction. Contributions to Mineralogy and Petrology 178(11):74 https://doi.org/10.1007/s00410-023-02056-2

圖1 研究區(qū)地質背景及采樣位置

圖2 雅浦弧前橄欖巖尖晶石主量元素組成特征

圖3 雅浦弧前橄欖巖尖晶石微量元素組成特征

圖4 卡洛琳洋底高原超慢速俯沖與貧巖漿型雅浦島弧成因模式
(本文來源于中國科學院海洋研究所官網(wǎng),“科學”號信息員封婧改編提供)