刘传周等-SA:太古代克拉通地幔“漂流”记

科技工作者之家 06月02日

  大陆主要由克拉通和造山带构成,其中克拉通主要形成于18亿年以前的地球早期,是地球表层的重要组成单元。古老克拉通多具有巨厚(>200 公里)的岩石圈根,且由于其密度和热流值较低、刚性较大,能够避免遭受后期地质作用的改造而保持稳定(吴福元等, 2014)。因此,克拉通形成后基本无明显的地震活动和岩浆作用,是地球上最稳定的地区。然而,大量的研究表明全球克拉通的巨厚岩石圈根可以发生部分乃至整体性的移除,从而导致克拉通发生显著的岩石圈减薄,甚至导致其失去稳定性而发生强烈的破坏(Carlson et al., 2005; Zhu et al., 2021; 吴福元等,2014)。我国华北克拉通自 2 亿年左右以来,发生了大规模强烈的构造变形、地震活动、岩浆作用和盆地形成,被认为是全球范围内发生岩石圈减薄和克拉通破坏的经典地区(Carlson et al., 2005)。 

  尽管克拉通地幔减薄可能存在不同的方式,已提出的机制包括地幔拆沉、地幔柱热/化学侵蚀等,但减薄的太古代克拉通地幔通常被默认进入到软流圈中。考虑软流圈可以在全球范围内发生地幔对流,并且在洋中脊发生被动上涌和减压熔融,从而形成新的大洋岩石圈。因此,现今洋中脊的深海橄榄岩作为软流圈部分熔融后的残留体,是寻找软流圈中的太古代克拉通地幔的最佳载体。 

  前人通过Re-Os同位素体系测定深海橄榄岩年龄,发现绝大多数深海橄榄岩的年龄明显老于其所出露的洋中脊的扩张年龄,表明它们在进入到现今洋脊之前曾遭受了熔体抽取事件,代表为残存在软流圈中的古老地幔(Harvey et al., 2006; Liu et al., 2008)。但已发表的Os同位素数据显示来自全球不同洋中脊的深海橄榄岩最老年龄不超过22亿年,太古代克拉通型地幔也至今尚未在深海橄榄岩中有所报道,这被认为太古代克拉通型地幔进入软流圈后被地幔对流作用完全均一化(Lassiter et al., 2014)。但考虑到全球深海橄榄岩的Os同位素数据仍十分匮乏,太古代克拉通型地幔可能出露在洋中脊,但尚未被发现。针对这一问题,中国科学院地质与地球物理研究所刘传周研究员及其国内外合作者,对来自全球超慢速扩张西南印度洋脊的深海橄榄岩(图1)开展了系统的岩石学与地球化学研究,尤其是全岩Re-Os同位素。 

1 西南印度洋脊海底构造及深海橄榄岩采样位置

  全岩与矿物主量元素结果表明,西南印度洋脊两个采样点(按其地理位置分为东段与西段)的样品成分存在明显的差异。其中西段的部分深海橄榄岩样品具有极为难熔的成分,包括极低的全岩Al2O3含量和极高的橄榄石Fo牌号(图2)。这些成分特征与太古代克拉通地幔包体具有相似之处,而与前人发表的全球深海橄榄岩存在显著的差异。全岩Re-Os 同位素结果表明,这些难熔的橄榄岩样品具有极低的187Os/188Os值(图3),对应于大于25亿的太古代模式年龄(最老为~28亿年)。相比之下,其它样品具有相对更高的187Os/188Os值,对应于元古代乃至更年轻的年龄。无论是地球化学成分还是年代学特征都支持部分西南印度洋深海橄榄岩样品代表了曾经残存在软流圈中的太古代克拉通地幔,而后通过构造作用出露在现今的洋底。 

2 西南印度洋深海橄榄岩全岩MgO-Al2O3A)与橄榄石Fo-尖晶石Cr#B

3 西南印度洋深海橄榄岩187Os/188Os频率直方图及与全球深海橄榄岩、南非克拉通地幔包体的对比

  在证实软流圈中存在太古代克拉通地幔后,与之密切相关的问题就是它们是来自于哪个克拉通?由于裹挟在软流圈中的太古代克拉通地幔可以全球范围发生对流,因此对它们的溯源工作具有极大的难度。西南印度洋是在通过冈瓦纳大陆的裂解和海底扩张形成的,其间伴随有多期地幔柱活动(如1.8亿年左右的Karoo地幔柱)。西南印度洋北侧的非洲大陆发育有数个克拉通(如KaapvaalZimbabweCongo克拉通等),而前人通过地幔包体的研究也揭示南非Kaapvaal克拉通在1亿年左右经历了显著的地幔减薄(Griffin et al., 2003)。为此合理地推测出露在现今西南印度洋脊的太古代克拉通地幔可能来源于通过地幔柱热/化学侵蚀作用进入到软流圈中的南非Kaapvaal克拉通地幔。为了验证这一假设是否合理,研究者开展了地幔柱热改造克拉通地幔的数值模拟研究,结果显示这一过程无论是在时间上还是在动力学机制上都可以有效地解释西南印度洋出露的太古代克拉通地幔(图4)。 

4 太古代克拉通地幔再循环的数值模拟。(A, B)地幔柱活动启动后29.5 Ma76 Ma的模拟结果;(C)地幔柱热/化学对克拉通地幔的侵蚀效率

  该研究首次在现今洋中脊发现太古代克拉通地幔的出露,在以下三个方面具有重要意义: 

  1)研究结果充分说明除了大洋岩石圈地幔可以通过俯冲作用循环进入软流圈(Liu et al., 2008),克拉通型的大陆岩石圈地幔也可以循环进入软流圈。考虑到太古代克拉通地幔在进入软流圈之前通常会长期遭受熔体交代作用,在地球化学成分尤其是Sr-Nd-Pb-Hf同位素上可以表现出富集的特征,因此当遭受交代的太古代克拉通地幔随软流圈进入洋中脊时,这些交代组分会优先熔融形成具有富集特征的洋中脊玄武岩,即E-MORB。因此,再循环的太古代克拉通地幔在地球化学上可能是一个潜在的富集地幔储库(mantle reservoir)。 

  2)这一发现为证实低密度的太古代克拉通地幔可以通过某种构造作用进入软流圈提供了确切的证据,为研究克拉通的形成演化乃至破坏提供了新的视角。克拉通岩石圈的形成和演化是地球科学的核心问题之一。根据海底拖网的资料,太古代克拉通地幔在西南印度洋脊出露的规模为数公里至数十公里,这为未来克拉通地幔研究提供了除地幔包体以外的另一个重要窗口。因此未来关于克拉通的研究应该立足陆地,放眼海洋。 

  3)目前对于大陆地壳增生时间、方式与机制的研究主要是基于陆壳岩石的资料(Guo and Korenaga, 2020)。考虑到太古代时期地幔具有更高的温度会提高地幔柱热/化学侵蚀的效率,从而导致太古代地幔与地壳更容易循环回到软流圈乃至下地幔。洋岛玄武岩的S同位素研究也支持太古代地壳物质已经循环进入到下地幔(Delavault et al., 2016)。因此,对软流圈中的古老地幔开展进一步的研究,可以为陆壳增生的时间、方式与机制提供重要的制约。 

5 太古代克拉通地幔再循环模型图。①地幔柱热/化学侵蚀作用将太古代地幔从克拉通地区拆离进入软流圈,②通过地幔对流作用重新在洋中脊出露而成为新生大洋岩石圈的一部分,③并随着大洋岩石圈俯冲再次回到软流圈乃至下地幔

  相关成果近期发表于Science Advances(刘传周*, Dick H J B, Mitchell R N, 韦武, 张振宇, Hofmann A W, 杨建锋, 李杨. Archean Cratonic Mantle Recycled at a Mid-Ocean Ridge[J]. Science Advances, 2022, 8(22). DOI:  10.1126/sciadv.abn6749)。研究受国家杰出青年基金、国家重点研发计划“难熔元素和同位素分析技术创建与革新及地学应用”等项目资助。 


来源:中国科学院地质与地球物理研究所

来源:中国科学院地质与地球物理研究所

原文链接:http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202206/t20220602_6456941.html

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