CEE & EPSL: 国家重点实验室团队在大陆弧地壳再造方面取得新进展

发布者:陆昀乔发布时间:2024-03-26浏览次数:42


大陆弧是汇聚板块边缘的构造活动区,是火山活动和金属矿产形成的重要地带,并记录了大陆地壳生长和再造的一系列复杂地壳过程。其中,大陆弧地壳的再造和岩浆的产生通常可在 “加温”和“降压”两种条件下进行,幔源岩浆的烘烤和岩石圈拆沉是实现该再造作用的重要机制。然而,渗透反应流对大陆弧地壳的改造却较少受到关注。在活跃的汇聚大陆边缘弧地壳区,由于内部的应力作用,地壳岩石产生孔隙,粘度低、密度低的熔体在地壳中向上迁移,可以降低围岩体系的固相线并与其发生化学交换反应,使得已有矿物发生溶解-再结晶,并产生可能的新的熔体抽取,渗透反应熔体流的这些系列过程会最终影响深部地壳的化学成分,对其深入研究有助于我们充分理解大陆弧地壳再造过程。

南京大学地球科学与工程学院和内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室王孝磊教授团队近些年围绕扬子陆块周缘前寒武纪构造-岩浆演化开展深入研究,尤其在扬子陆块西缘约8亿年前的大陆弧地壳的增生和再造过程取得了新的认识。在前期的研究中,发现了扬子陆块西缘可代表新元古代大陆弧的中-上地壳(2021, Nature Commun.12: 3533)的典型剖面,揭示了大陆弧地壳物质再循环的快速过程和机制。近期,该团队进一步的研究工作发现,渗透反应流在弧地壳分异中扮演了突出的角色,不仅对固相线以下的弧地壳围岩进行了改造(Li JY and Wang XL et al., 2024, EPSL),还对未完全结晶的弧晶粥储库进行了改造(Li JY and Wang XL et al., 2024, CEE)。

该研究团队首先对川西地区发现的新元古代片麻岩进行了深入研究。通过岩相学观察发现两类正变质的片麻岩,其原岩均为基性岩,原生矿物由角闪石/辉石和斜长石组成。这些岩石体系经历了外来熔体的注入和重熔,熔体在体系中迁移并与晶体反应-再平衡使矿物发生了广泛的溶解-重结晶、交代和水化的现象。利用锆石的核-边原位U-Pb定年、HfO同位素分析,揭示出两个样品的原岩年龄分别为ca. 1400 Maca. 830 Ma(“Ma”意指百万年前),均在ca. 830-820 Ma发生变质(图1AB),其核部和边部的HfO同位素也具有显著的差别(图1CD),可能受到外来的高δ18O、古老物质来源的熔体注入改造。外来熔体在晶体间隙充分渗透,使得几乎所有晶体都记录有反应-交代的特征。结合矿物相平衡、矿物和矿物对的温度计、和多硅白云母晶格Si等值线综合判定,该外来熔体注入-交代应该是在低温(~550℃)、中压(8~9 kbar)环境下进行(图2A)。该温压条件低于体系的固相线,证明了是一种固相线以下的变质-交代改造。进一步地,结合区域地质情况,我们提出该岩石的变质过程要么发生在俯冲带增生楔、要么发生在弧前地壳,与增生型造山作用有关(图2B)。


1. 两个片麻岩样品的锆石同位素和微量元素特征。两个样品的原岩年龄分别为ca. 1400 Maca. 830 Ma,均在ca. 830-820 Ma发生变质。锆石经历了外来熔体的改造及相关的溶解-重结晶,导致HfO同位素存在核边显著不一致。边部锆石的Ti普遍 < 2 ppm,暗示低温的变质和熔体渗透环境。


2. A)扬子陆块西缘攀西汉南带新元古代中-高压变质记录,研究样品的峰期变质温压用五角星标注。(B)样品的变质伴随着外来含水熔体的渗透、重熔、熔体-矿物再平衡过程,这样的过程在新元古代增生型造山作用环境下进行,物质的运移通过俯冲板片或者弧内断层的逆冲推覆过程进行。


进一步地,该研究团队在川西地区广泛分布的侵入岩杂岩体中寻找到渗透反应流的证据。在彭灌杂岩体一套中-基性侵入体中发现了富石英(石英 > 5 vol%)和贫石英(石英 < 1 vol%)两类侵入体。二者均具有堆晶结构,主要由早期结晶的辉石和斜长石作为堆晶矿物骨架,其中普遍可见角闪石-辉石的替代结构,是岩浆演化到晚期的含水熔体与早期结晶的辉石发生转熔反应形成。结合这些岩石的全岩Nd同位素和锆石Hf同位素解耦(图3)、石英和锆石的氧同位素的解耦(图3)、以及矿物微量元素特征等,提出该转熔反应发生在开放体系下,存在外部富沃、高δ18O的熔体注入(可能与残留熔体混合),并改造了早期堆晶矿物骨架。


3. a-c)两类样品的TIMA图像,贫石英和富石英侵入体中普遍可见角闪石-辉石的替代结构,斜长石的定向程度。(d-f)全岩Nd同位素、锆石Hf-O同位素以及石英O同位素显示出岩浆分异不在封闭体系下进行,而受到了外部熔体的影响。


通过平衡计算,发现该反应后的平衡熔体很可能是高SiO2> 65 wt%)的花岗质熔体。在贫石英的侵入体中,由于矿物具有高程度的各向异性(斜长石的定向指数0.43),易于间隙的花岗质平衡熔体抽离,因而该类岩石普遍石英含量低且其体系的化学成分(残留矿物相)决定于外来熔体渗透+熔体抽离的共同作用(图4)。对于富石英的侵入体,矿物具有低程度的各向异性(斜长石的定向指数0.06),阻碍了间隙平衡熔体的迁移,因此该体系的化学成分反应了堆晶矿物相与花岗质平衡熔体的混合(图4)。上述研究表明,大陆弧背景下镁铁质的晶粥储库可能在开放且动态的背景下演化,外来渗透反应流的注入对晶粥分异具有较大的影响。首先,渗透流可能把富沃地壳的化学特征赋予到岩浆体系,造成矿物相转变和全岩地球化学(包括主微量、同位素和水)的改变。另外一方面,反应后的间隙花岗质熔体可以从晶粥体系中抽离、也可能停留在晶粥体系中,进一步造成体系化学成分的多样性。该工作表明岩浆演化过程中的“物质转移”和“化学交换”过程很重要,而这些过程很可能被深部岩石中的矿物所记载。


4. 概念图:渗透熔体流对大陆弧基性晶粥储库的影响。富沃的、高δ18O的外部熔体与不同地壳尺度晶粥中的晶体发生化学交换反应。角闪石平衡熔体可以从晶粥中抽离也可以停留,形成基性或者中性的岩石,造成晶粥储库的成分分层。


上述研究成果近期发表在重要期刊《Communications Earth & Environment2024229日在线)和《Earth and Planetary Science Letters》(2024325日在线)上,南京大学博士后李军勇为论文第一作者,王孝磊教授为通讯作者,澳大利亚莫纳什大学Peter Cawood教授和中国石油勘探开发研究院谷志东博士也参与了相关研究。该方面研究得到了国家自然科学杰出青年和青年基金、博士后创新人才支持计划、科技创新“百”层次项目等的资助。


文章信息

1Li, J.Y., Wang, X.L.*, Gu, Z.D., Wang, D., Du, D.H., 2024. Geochemical diversity of continental arc basaltic mushy reservoirs driven by reactive melt infiltration. Communications Earth & Environment 5, 109. (DOIdoi.org/10.1038/s43247-024-01279-w)

2Li, J.Y., Wang, X.L.*, Cawood, P.A., Gu, Z.D., Guan, Y., 2024. Neoproterozoic low-T/P metamorphism in the Yangtze Block manifests a long-lived subduction girdle around Rodinia. Earth and Planetary Science Letters634, 118678. (DOIdoi.org/10.1016/j.epsl.2024.118678)