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      王軍等-Geology：俯沖和碰撞期間的致密化引起西南揚子克拉通拆沉
      
										
      
											撰稿：       
											    
											發(fā)布時(shí)間：2022-05-17 

										
      
										
              克拉通是地球上最古老的穩定陸塊，其具有太古代基底和巨厚巖石圈根（可達250km），克拉通地幔的起源和保存機制一直是固體地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)。克拉通地幔是橄欖巖經(jīng)過(guò)高程度熔融之后的殘留，其虧損玄武質(zhì)組分（如Fe和Ca）以及水。通常認為鐵的虧損會(huì )降低成分密度，水的虧損會(huì )升高粘度，這兩個(gè)物理性質(zhì)的改變被認為是克拉通地幔長(cháng)期保持穩定的關(guān)鍵因素。然而一些克拉通（如華北和懷俄明克拉通）在大洋俯沖期間丟失了厚的根，普遍認為這是地幔交代作用（含水、富鐵的弧玄武巖加入地幔）的結果。但是最近的高溫高壓實(shí)驗發(fā)現水對地幔粘度的影響有限，反而高氧逸度可以軟化地幔。由于地幔交代作用可以同時(shí)改變多個(gè)因素（如水、氧逸度和密度），且不穩定的克拉通根通常已經(jīng)沉入深部地幔，使得很難了解已經(jīng)丟失的克拉通根的性質(zhì)，所以克拉通不穩定的主要因素仍然不清楚。此外，已有研究只涉及俯沖環(huán)境的克拉通去根，缺乏碰撞環(huán)境的案例研究。
              針對上述科學(xué)問(wèn)題，中國科學(xué)院廣州地化所、深地科學(xué)卓越創(chuàng  )新中心王軍博士、王強研究員、但衛副研究員及其合作者選擇西南揚子克拉通作為研究對象。選擇西南揚子克拉通的原因如下：首先，前人地球物理研究發(fā)現該克拉通厚度從核部（~200 km）到西南緣（< 80 km）顯著(zhù)減薄（圖1a-b），減薄的克拉通下面存在地震波高速體，其與克拉通核部相連，即西南揚子克拉通發(fā)生過(guò)拆沉，且存在未完全拆離的根（圖1c）；其次，新生代印度-亞洲碰撞后，始新世克拉通根拆沉誘發(fā)了廣泛的巖石圈地幔來(lái)源的鉀質(zhì)巖（圖1b）。因此，利用這些幔源鉀質(zhì)巖可以約束不同深度的巖石圈地幔性質(zhì)，并闡明碰撞環(huán)境克拉通不穩定的原因。

      圖1：（a）中國三個(gè)克拉通巖石圈厚度圖；（b）西南揚子克拉通始新世鉀質(zhì)巖分布與巖石圈等厚線(xiàn)；（c）圖（a）剖面的P 波層析成像以及地形的變化，YZ=拆沉的揚子克拉通根。

              本次工作對位于薄（~70 km）和厚（~120 km）巖石圈之上的云南大理和四川鹽源鉀質(zhì)巖（圖1b）進(jìn)行了詳細的研究，取得了以下新的認識：
              （1）在相同的MgO（8–15 wt%），大理鉀質(zhì)巖的CaO和FeO比鹽源更低，表明前者地幔源區更難熔（refractory，虧損玄武質(zhì)組分）；另外，大理鉀質(zhì)巖的SiO2比鹽源更高，但Sm/Yb比鹽源更低，表明前者源區更淺。稀土模擬和主量元素壓力計表明：大理鉀質(zhì)巖的源區是尖晶石相（~55 km）含金云母的難熔方輝橄欖巖；鹽源鉀質(zhì)巖的源區是石榴石相（~130 km）含金云母的飽滿(mǎn)二輝橄欖巖。
              （2）大理鉀質(zhì)巖的橄欖石斑晶的最高Fo（100×Mg/[Mg+Fe] = 94.2）值比鹽源（Fo = 91.3）更高，前者高Fo橄欖石的氧同位素更低（大理δ18O = 5.2‰；鹽源δ18O = 5.9‰）。因為原生巖漿橄欖石斑晶的最高Fo值與地幔源區橄欖石Fo值一致，所以橄欖石成分也暗示大理鉀質(zhì)巖的地幔源區更難熔。但橄欖石-尖晶石的氧逸度計和橄欖石-全巖的鈣濕度計表明大理（△FMQ = 1.9 ± 0.3；H2O = 6.7 ± 0.9 wt%；1σ）和鹽源鉀質(zhì)巖（△FMQ = 1.5 ± 0.1；H2O = 6.0 ± 0.2 wt%；1σ）都是富水和高氧逸度特征。
              （3）由于源區橄欖巖密度與其橄欖石Fo值負相關(guān)，因此深部巖石圈根的密度比淺部更大（差值~0.044g/cm3）。考慮到深部巖石圈根具有高的氧逸度、水含量和氧同位素，因此其代表早期特提斯洋俯沖階段地幔強烈交代之后的產(chǎn)物（圖2a）。弧巖漿首先交代深部巖石圈根，剩余少量熔體上升并交代淺部巖石圈，所以淺部巖石圈難熔的性質(zhì)（主量和δ18O）沒(méi)有被顯著(zhù)改變，僅僅微量、水含量和氧逸度被改造。相反，深部巖石圈根所有成分（包括主量和δ18O）都已經(jīng)被改造（圖2b）。
              （4）地球物理發(fā)現減薄的巖石圈之下存在未完全拆離的根（圖1c），這與前人數值模擬結論一致，即克拉通拆沉是底部致密的根沿著(zhù)巖石圈中部不連續面（MLD）從邊緣向內部逐漸剝離的，所以現今巖石圈-軟流圈邊界（LAB）應該對應始新世的MLD。巖漿源區深度和現今LAB深度的關(guān)系表明大理鉀質(zhì)巖來(lái)源于淺部低密度巖石圈，而鹽源鉀質(zhì)巖來(lái)源于深部高密度巖石圈根（圖2b）。因此，密度差異是克拉通去根的主要原因，氧逸度和水含量是次要原因，因為淺部和深部地幔都在俯沖階段被氧化和水化了。

      圖2.（a）古生代以來(lái)多個(gè)特提斯洋的俯沖改造了西南揚子克拉通根；（b）始新世克拉通下部致密的根自西向東拆沉（依據圖1和壓力計結果成圖）。
              （5）由于熱脹冷縮效應，在弧火山存在的高地溫梯度地區，低Fo的巖石圈根相對于軟流圈仍具有正浮力。當巖漿停止和構造增厚（如陸陸碰撞和平板俯沖）導致巖石圈降溫時(shí)，熱致密化可以誘發(fā)成分致密的巖石圈根拆沉。因此，印度-亞洲碰撞導致的熱致密化誘發(fā)了早期俯沖階段成分致密的西南揚子克拉通根拆沉，而克拉通內部（四川盆地）的巖石圈成分沒(méi)有受到早期俯沖改造，所以現今仍然保持穩定。減薄的揚子克拉通邊緣相對內部具有顯著(zhù)高的地形（圖1c），這種地表隆升也表明高密度根的拆沉。另外，華北和懷俄明克拉通破壞雖然是發(fā)生在俯沖階段，但主要是太平洋平板俯沖之后。因此，平板俯沖和陸陸碰撞誘發(fā)克拉通去根的本質(zhì)可能都與熱致密化相關(guān)，當然早期成分致密化是去根的前提。
              因此，依據碰撞環(huán)境克拉通拆沉的視角，本次研究認為成分和熱致密化是克拉通根拆沉的主要因素。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際地學(xué)著(zhù)名刊物《Geology》上，該研究受第二次青藏科考和國家自然科學(xué)基金項目的聯(lián)合資助。
              論文信息：Wang Jun (王軍), Wang Qiang* (王強), Xu Chuan-Bing (許傳兵), Dan Wei* (但衛), Xiao Zhuo (肖卓), Shu Chutian (舒楚天), Wei Gangjian (韋剛健), 2022. Cenozoic delamination of the southwestern Yangtze craton owing to densification during subduction and collision. Geology. https://doi.org/10.1130/G49732.1
      
									
      
								
      
								
      
												
					
      
						
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