海洋所研究揭示弧后扩张脊向俯冲带转变和雅浦岛弧贫岩浆特征成因
时间 : 2023-10-09     

近日,中国科学院海洋研究所张国良课题组通过对雅浦岛弧弧前橄榄岩进行矿物学和地球化学研究,揭示了帕里西维拉海盆南部岩石圈经历了由弧后扩张脊向俯冲带的转变过程,阐明了卡洛琳洋底高原超慢速俯冲过程是形成雅浦岛弧贫岩浆特征主要原因。成果发表在国际地学期刊Contributions to Mineralogy and Petrology(中科院一区刊物)。

岛弧形成和演化是板块构造体系的重要组成部分。雅浦岛弧北端与帕里西维拉海盆残留脊和西南马里亚纳弧衔接,二者海沟水深也相似,但却表现出显著不同构造和岩石特征。相比于马里亚纳海沟,雅浦岛弧具有异常短的沟弧距(<50 km),岛弧主要出露大量变质岩而不是岛弧火山岩,弧前正在俯冲是洋底高原(卡洛琳高原),俯冲速率异常低(0-6 mm/yr)。前期研究显示,卡洛琳洋底高原自21Ma以来开始在雅浦海沟俯冲,地震学研究显示雅浦岛弧下部明显存在俯冲板片,但为何在俯冲过程中几乎没有产生岛弧岩浆?雅浦岛弧北端上盘明显是年轻的弧后盆地(帕里西维拉海盆)岩石圈,那么,雅浦岛弧北端是否经历了板块俯冲引起的地幔楔熔融?这些问题本质上是超慢速板块俯冲环境下岛弧地幔楔熔融和岛弧岩浆机制。

本研究搭载科学号科考船在雅浦岛弧北段获得一系列玄武质火山岩、基性变质岩和蛇纹岩化橄榄岩(图1)。构造位置和玄武岩地球化学性质均指示上覆板块为帕里西维拉海盆基底,本次研究主要对弧前蛇纹岩化橄榄岩开展了系统的岩石学、矿物学和地球化学研究。研究发现,这些橄榄岩可以分为两组。第一组样品与深海地幔橄榄岩具有相似的尖晶石组成(图2)。单斜辉石具有明显的轻稀土(LREE)亏损特征,或较平缓的稀土元素配分型式。部分熔融模拟表明,它们能够由亏损上地幔~5%的分离部分熔融或~6%的开放体系部分熔融产生。

第二组橄榄岩样品与典型弧前橄榄岩组成非常相似:全岩具有低的Al2O3/SiO2,尖晶石具有相对深海橄榄岩异常高的Cr#值(达0.73)和低的Ga/Fe3+#值)。在尖晶石的Cr#-TiO2100Ti/Fe3+#-Ga/Fe3+#二元相关图中,第一组样品均落在地幔橄榄岩与洋中脊拉斑玄武质熔体反应的变化趋势上,而第二组样品变化趋势反映了与岛弧熔体发生了相互作用(图2-3)。因此,这些结果表明该区域经历了由弧后扩张脊向俯冲带转变的构造演化过程。根据卡洛琳洋底高原在弧前长期(21 Ma以来)处于超慢速俯冲、雅浦岛弧贫岩浆特征,以及地幔楔经历了弧下部分熔融的观测证据,研究总结指出:超慢速板块俯冲环境也存在板块脱水引起的地幔楔熔融,但是,由于单位地质时间内俯冲进入海沟的板块长度和脱水量非常有限,使得岛弧岩浆产率很低,产生的大部分熔体冷凝于岛弧岩石圈内,未能喷出地表,从而形成了贫岩浆型岛弧体系(图4)。

论文第一作者为特别研究助理姚俊华博士,通讯作者为张国良研究员, 合作者包括中国科学院地球化学研究所何德峰高级工程师。样品获得受到国家基金委共享航次支持,研究经费资助得到中科院战略先导专项、国家自然科学基金等项目支持。

论文信息: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


1 研究区地质背景及采样位置


2 雅浦弧前橄榄岩尖晶石主量元素组成特征


3 雅浦弧前橄榄岩尖晶石微量元素组成特征


4 卡洛琳洋底高原超慢速俯冲与贫岩浆型雅浦岛弧成因模式

(本文来源于中国科学院海洋研究所官网,科学号信息员封婧改编提供)