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海洋所在地幔熱狀態演化與板塊構造樣式轉變研究上取得進展

  近日,中科院海洋所深海中心孫衛東課題組聯合澳大利亞科廷大學、西澳大利亞地質調查局,在地質歷史時期地幔熱狀態演化與板塊構造樣式轉變的研究上取得了新進展,相關研究成果發表在地學Nature Index期刊Earth and Planetary Science Letters。 

  板塊構造在何時開始、之后如何演化、以及何時轉變為現代樣式的板塊構造,是研究宜居地球形成和演化的關鍵問題之一。其中,地幔溫度是控制巖石圈物理化學性質和構造活動的首要因素。在太古宙時期,上地幔溫度比今天高出約200 °C,但是在漫長的地質歷史時期中,上地幔溫度的下降始終被認為是一個漸變過程。 

  陸內玄武巖是軟流圈地幔減壓熔融的產物,其地球化學成分記錄著巖漿形成時的溫度和壓力條件,能夠反映軟流圈地幔的熱狀態。在地幔熔融壓力相對穩定的情況下,地幔潛在溫度(TP, mantle potential temperature, 指對流地幔沿著絕熱梯度線延伸到地表的溫度)直接控制著軟流圈地幔的部分熔融程度,地幔潛在溫度降低會導致部分熔融程度降低。研究人員根據pMELTS模擬地幔熔融過程,發現玄武巖的堿性指數AI [=全巖(Na2O + K2O)2/(SiO2 – 35), wt%]可以用來指示地幔部分熔融的程度以及溫度壓力條件。在特定的熔融壓力下,隨著地幔潛在溫度的降低,部分熔融程度降低,熔體的AI升高?;谝陨险J識,作者從EarthChem數據庫中收集并整理了全球陸內玄武巖的地球化學數據,利用統計學方法計算出近10億年來全球陸內玄武巖平均AI值隨時間的演化(1A),結果顯示其在成冰紀-埃迪卡拉紀時期(7.2-5.4億年前)發生了明顯的升高,全球陸內玄武巖的平均Na2OK2O含量的變化也呈現一致的變化規律(1B)。 

1 全球陸內玄武巖地球化學成分的變化 

  雖然陸內玄武巖的平均AI值不能直接換算為地幔潛在溫度的絕對數值,但是能夠指示地質歷史時期地幔潛在溫度的相對變化。因此,可進一步利用前人對地幔潛在溫度的測定結果與全球陸內玄武巖的平均AI值進行擬合,模擬了近10億年來地幔潛在溫度隨時間的變化規律(2A)。結果顯示在成冰紀之前(10-7.2億年前)地幔潛在溫度基本保持穩定,反映了地球中年時期(Earth's middle age)板塊構造活動的減弱和造山作用的沉寂。但在成冰紀-埃迪卡拉紀時期(7.2-5.4億年前)地幔潛在溫度迅速下降了約50 ;而后在顯生宙時期(5.4億年前至今),地幔潛在溫度逐漸下降。本研究發現的新元古代晚期地幔降溫事件與Condie (2016)獲得的虧損地幔巖漿生成溫度(Tg, magma generation temperature)的演化歷史相一致(2B)。這次地幔降溫事件的發生與前人根據低T/P變質巖石記錄(2C)所定義的現代板塊構造開始的時代高度重合,反映了現代板塊構造的啟動可能是造成地幔潛在溫度快速下降的重要原因。成冰紀及埃迪卡拉紀初期,雪球地球的融化導致大量的沉積物堆積在海溝,對板塊俯沖可能起到了潤滑作用,加快了板塊俯沖的速率。在現代板塊構造體制下,大量冷的大洋巖石圈俯沖進入地幔,從而造成了地幔潛在溫度的快速降低。 

地幔熱狀態的演化歷史 

  論文第一作者為海洋所博士研究生陳茜,通訊作者為劉鶴研究員。研究得到國家自然科學基金(42073011)和中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室開放基金(GPMR201903)聯合資助。 

  論文信息:Qian Chen, He Liu*, Tim Johnson, Michael Hartnady, Christopher L Kirkland, Yongjun Lu, Wei-dong Sun. (2022) Intraplate continental basalts over the past billion years track cooling of the mantle and the onset of modern plate tectonics, Earth and Planetary Science Letters.  

  https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117804. 

 

 


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