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        G-cubed:板塊俯沖的“貪吃蛇”現象

        地幔過渡帶(以 410 660km 深度為界)在地球演化和地幔對流中發揮著重要作用。越來越多的證據表明地幔過渡帶可能富含水。俯沖至地幔過渡帶的板塊可以擾動含水的地幔過渡帶物質上涌,在地幔過渡帶頂部(上地幔底部)形成部分熔融低速層 (LVL)(圖1)。

        礦物物理學研究表明LVL中的熔體在一定條件下可以呈現出浮力狀態。地球動力學模擬進一步顯示LVL可能與中國東部的板內火山起源有關。LVL在現今的環太平洋俯沖區被普遍觀測到,這些觀測到的LVL大多位于俯沖板塊的前端(大陸方向)。由于大洋缺乏地震臺站,俯沖板塊后端(大洋方向)的LVL很少被探測到,限制了相關地球動力學過程的認識。

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        圖1板塊俯沖誘發其前后附近區域生成LVL。深藍和淺藍分別代表俯沖板塊的洋殼和巖石圈地幔。橙色表示含水的部分熔融LVL。橙色圓點表示水。箭頭表示含水物質的運動方向。

        西準噶爾位于中亞造山帶(CAOB)西南部(圖2a),古亞洲洋板塊曾在此俯沖并最終消失。電磁和地震學證據顯示此處保存有西北向俯沖的大洋巖石圈殘余(圖 2b),這進一步支持來自年代學、巖石學和地球化學的觀測結果:在晚石炭至早二疊(~320-290Ma),洋中脊俯沖于此,并伴隨板片窗的打開、板片熔融和斷離。同時,地球化學和巖石學觀測表明,在同一地質歷史時期,此處發生過地幔柱或富集軟流圈地幔上涌現象。然而,由于該區域觀測數據有限,上地幔深部的詳細結構認識不足,缺乏關于地幔柱或富集軟流圈深部起源的約束。

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        圖2 (a)中亞造山帶及鄰近克拉通的構造簡圖。紅線表示準噶爾地體的邊界。(b)研究區及其構造背景。藍色表示殘余的大洋板塊化石所在位置。紅點表示晚石炭至早二疊時期的A型花崗巖,綠星表示同一時期的洋島型玄武巖所在位置。(c)所用地震(黑色沙灘球)和臺站(黑色三角)。

        古亞洲洋的閉合提供了一個很好的契機去探索俯沖板塊后端的LVL及相關動力學過程。中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室地震各向異性與深部構造團隊的李國輝副研究員及其合作者,基于網格搜索擬合4個淺源地震的P和SH波的三重震相波形資料(圖2c和圖3),首次發現西準噶爾地幔過渡帶頂部存在LVL。推測該LVL的形成很可能與古亞洲洋板塊俯沖有關,在漫長的地質演化過程中可能伴隨著熔體分數的變化,但在一定條件下仍然可以保存至今。

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        圖3 觀測(黑色曲線)和最優模型計算的理論(紅色曲線)波形對比(a-d, f)以及速度模型(e, g)。

        結合多學科觀測結果,該研究提出了一種新的關于板塊俯沖的深部動力學過程(圖4)。古亞洲洋板塊俯沖進入地幔過渡帶,擾動其后方的含水物質上涌至上地幔,誘發部分熔融LVL的形成。由于洋中脊俯沖(圖4a)或自身浮力(圖4b)的驅動,LVL中的含水熔體很可能通過板片窗上涌至地表。這種俯沖模式可以解釋西準噶爾在晚石炭至早二疊同時期形成的斷離大洋板塊、洋島型巖石、廣泛的A型花崗巖、埃達克巖和斑巖銅金,甚至可能促發了達拉布特和瑪依勒斷層的運動。從現今俯沖區(如西太平洋、緬甸弧和東喜馬拉雅等)的層析成像結果看,這種深部過程很可能具有普遍性。該深部過程可為理解大洋俯沖過程和圈層相互作用提供重要理論依據,有助于從深部結構上為資源勘查、防災減災、環境保護和經濟社會可持續發展提供重要數據支撐。

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        圖 4 西準噶爾晚石炭至早二疊時期構造和巖漿巖形成的概念圖。(a)洋中脊俯沖導致板塊窗和板塊斷離,誘發 LVL 熔體通過板片窗上涌。(b)提出的貪食蛇模型。LVL 熔體通過自身浮力上涌至俯沖板塊底部,高溫含水巖漿烘烤使板塊熔融、板塊窗打開和板塊斷離。(c)現今的地球物理和地質觀測。

        除了傳統認知的洋中脊俯沖,可能會誘發這種板塊俯沖過程(圖4a),該研究提出了一種新的可能機制(圖4b)。LVL中的含水高溫熔體在自身浮力的作用下很可能上涌到俯沖板塊底部,加熱并融化了上覆俯沖板塊,導致板塊窗和板塊斷離,熔體繼續通過板片窗上涌到地表。 這個自我破壞的過程看起來像一條貪吃的蛇,咬斷了自己的尾巴,形成一個環狀結構, 因此被命名為貪吃蛇模型。該模型為俯沖板片熔融、板片窗的打開和板片斷裂以及相關的巖漿活動提供了一種新機制。西準噶爾出露的巖漿巖的地質年代學證據更支持貪吃蛇模型(詳細分析請見原文)。

        該研究成果近期以 “A partial molten low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Junggar: implication for the formation of subduction-induced sub-slab mantle plume” 為題發表在《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》期刊。中國地震局地震預測研究所的副研究員李國輝為論文的第一和通訊作者,合作者包括中國科學院大學的周元澤教授,中國科學院青藏高原研究所的丁林研究員、白玲研究員、張衡副研究員和張丁丁博士,以及地震局預測所的高原研究員、胡樂、潘正洋和琚長輝副研究員。本研究得到國家自然科學基金(42074100,41804083,42074103, 41874109),中央級公益性科研院所基本科研業務費(2021IEF0501)和中國科學院王寬誠率先人才計劃(GJTD-2019-04)的聯合資助。

         

        論文信息:Guohui Li*, Yuanze Zhou, Lin Ding, Yuan Gao, Ling Bai, Heng Zhang, Le Hu, Zhengyang Pan, Changhui Ju, & Dingding Zhang. (2022). A partial molten low-velocity layer atop the mantle transition zone beneath the western Junggar: implication for the formation of subduction-induced sub-slab mantle plume. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 23, e2021GC010150. https://doi.org/10.1029/2021GC010150.

         

        原文鏈接: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2021GC010150


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