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海洋所揭示西太平洋早白垩纪加瓜海脊弧火山岩成因及地幔楔属性

  近日,中科院海洋所张国良课题组在国际地学期刊《Geochemistry Geophysics Geosystems》发表了题为“Geochemical and chronological constraints on the origin and mantle source of Early Cretaceous arc volcanism on the Gagua Ridge in western Pacific”的研究论文,通过年代学、岩石学和地球化学综合研究,揭示了我国台湾以东(或西菲律宾海西边界)的加瓜海脊是形成于早白垩纪时期(124-115 Ma)的洋内岛弧,岛弧岩浆源区主要来自俯冲沉积物和弧下地幔楔的相互作用,指出该区早白垩时期存在太平洋型地幔。 

  通常认为,西太平洋在中生代时期可能广泛存在板块俯冲,然而,现代西太平洋海盆和岛弧几乎都形成于新生代以来,尤其是新生代以来西太平洋海盆火山岩组成反映了这里主要存在印度洋型(Dupal 异常)地幔,例如伊豆小笠原-马里亚纳岛弧以西的海盆通常都是印度洋型地幔。然而,关于这种类型地幔长期存在于西太平洋,或是后期被印度洋型地幔所替换,还缺少证据,西太平洋极少出现中生代洋盆或岛弧火山岩,这导致新生代以前的西太平洋岛弧演化历史和下伏地幔组成性质很不清楚。 

  加瓜海脊构成了台湾以东花东海盆与菲律宾海盆之间的板块边界(1)。长期以来,由于岩石学和地球化学研究工作有限,关于加瓜海脊的时代、基岩性质及成因背景还存在基本性争议。本次研究在中科院先导科技专项资助下,在加瓜海脊中段采样获得了一系列火山岩,张国良研究组与墨尔本大学David Phillips团队合作,对42个火山岩样本开展了系统的40Ar-39Ar年代学(2)、主量和微量元素及同位素分析(Sr-Nd-Hf-Pb-Mg)(345)。研究发现,加瓜海脊火山岩分为钾玄岩和玄武质安山岩两类,均表现为岛弧火山岩特有的微量元素组成特征,其中,玄武质安山岩形成于124-123Ma,钾玄岩形成于~115Ma,反映了加瓜海脊是早白垩纪时期活动的洋内岛弧。根据火山岩较高的Th/La比、Nb/Ta比,以及缺少明显的Zr-Hf负异常等特征,研究认为俯冲板片沉积物组分发生了以金红石为残留相的部分熔融。偏重的 Mg同位素特征(δ26Mg可达0.4‰)及其与LaLa/Yb等良好相关性(6),进一步反映了俯冲板片组分的显著影响。 

  大多数加瓜海脊火山岩在Hf-Nd同位素组成上位于太平洋型地幔域(5),主要反映了下部属于太平洋型地幔楔性质,这些火山岩在Pb同位素组成图解上,主要表现为印度洋型特征,反映了地幔楔受到俯冲带流体组分的影响,而不是地幔楔本身特征。这一观测结果显示,西太平洋在中生代时期存在太平洋型地幔,加瓜海脊可能代表存在于太平洋内部的洋内岛弧系统(7)。 

  本次研究通过火山岩年代学、岩石学和地球化学综合研究,揭示了西太平洋现存早白垩纪岛弧火山岩的年代、成因及其地幔楔组成性质,对认识西太平洋板块俯冲、异常地幔来源及其演化历史具有重要指示意义。论文第一作者和通讯作者为中科院海洋所张国良研究员,研究得到海洋国家实验室、国家自然科学基金、中科院先导科技专项等项目资助。 

  原文链接:Zhang, G.L., Zhang, J., Dalton, H., Phillips, D., 2022. Geochemical and chronological constraints on the origin and mantle source of Early Cretaceous arc volcanism on the Gagua Ridge in western Pacific. Geochemistry Geophysics Geosystems. https://doi.org/10.1029/2022GC010424  

1. 加瓜海脊地质构造和岛弧火山岩采样(红星)位置分布

2. 加瓜海脊岛弧火山岩40Ar-39Ar年龄结果(124-115 Ma

3. 加瓜海脊两类岛弧火山岩K2O-SiO2分类图解

4. 加瓜海脊两类岛弧火山岩微量元素配分图解

5. 加瓜海脊岛弧火山岩同位素组成图解

6. 加瓜海脊岛弧火山岩Mg同位素与微量元素关系图

7. 加瓜海脊岛弧火山岩成因模式图及地幔楔组成示意图


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