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Nature Geoscience:诱发俯冲起始的首例地质证据——对蛇绿岩研究的启示

编著:中科院地质地球所 孙宝璐 杨建锋     来源:https://mp.weixin.qq.com/s/eFpC3-mt5YjmDbUTVrBLaQ

    俯冲起始是指俯冲带发育为成熟俯冲体系之前的短暂过程,它是洋盆闭合的必要条件,是威尔逊旋回必不可少的关键一环。研究俯冲起始对于理解岩石圈结构、板块构造驱动力以及地球演化历史均具有重要意义。然而,由于俯冲起始发生的过程极其短暂,且本身是一个破坏过程,目前我们对其成因及机制依然知之甚少。 

   Stern(2004)将俯冲起始分为两类——自发俯冲起始和诱发俯冲起始。自发俯冲起始的应力来源于板块自身的负浮力,如大洋转换断层或被动大陆边缘处由于重力不稳定引发的岩石圈坍塌;诱发俯冲起始的应力则来源于远场对先存薄弱带的作用。

区分两种方式的根本标志是,从俯冲板片发生埋藏到上覆板片开始拉张的时间间隔不同:自发俯冲起始时,俯冲板片向下俯冲,上覆板片同时拉张以平衡区域应力;而诱发俯冲起始时,俯冲板片被迫下插累积到一定时间后,上覆板片才发生拉张。自发俯冲起始目前已得到较广泛的研究,出露于Izu–Bonin–Marianna俯冲带附近的基底熔岩是目前自发俯冲起始的直接地质证据(Arculus et al., 2015)。而诱发俯冲起始虽然有数值模拟实验支持,但仍未发现地质记录。

图1  自发俯冲VS.诱发俯冲概念图(Guilmette et al., 2018)

    通常认为,SSZ蛇绿岩和变质底板(metamorphic sole)是俯冲早期的地质证据。SSZ型蛇绿岩为残留的弧前大洋岩石圈,组分上类似于当今Izu–Bonin–Marianna弧前,形成于俯冲起始阶段,随后隆升到海平面之上;变质底板是分布在蛇绿岩之下的~10-500 m的变质层,主要为角闪岩相或麻粒岩相的变玄武岩。前人普遍认为变质底板来源于俯冲板片的表层,是蛇绿岩就位的变质产物。在俯冲早期,俯冲界面上存在连续的两次流变学转换,当俯冲板片与上覆地幔楔流变学性质相似时,板片俯冲的阻力最大,此时俯冲板片的上部物质撕裂并焊接到上覆地幔楔底部,从而形成现今的变质底板(Agard et al., 2016)。由于前人的年代学数据表明蛇绿岩比变质底板通常具稍早(或相似)的年龄(Hacker et al., 1996),SSZ蛇绿岩通常被认为可代表俯冲起始的地质记录。 

    阿曼Semail蛇绿岩是当今出露最好的蛇绿岩剖面之一。大量研究工作表明,Semail蛇绿岩年龄为96.12-95.50 Ma,变质底板角闪石40Ar/39Ar和锆石U-Pb年龄为96-95 Ma。2018年8月27日,Nature Geoscience在线发表了Guilmette et al. (2018)关于本区诱发俯冲起始的研究成果。他们对阿曼Semail SSZ型蛇绿岩及变质底板进行了精确的年代学研究,给出了不同的变质底板年龄。研究表明,变质底板角闪岩中石榴石具清晰的生长环带,石榴石-全岩Lu-Hf等时线年龄为103.7±0.7 Ma,表明石榴石在~104 Ma就开始生长,对应变质底板的埋藏过程,即初始俯冲(图2)。变质底板形成(板片埋藏)时间比上覆板片拉张(SSZ型蛇绿岩形成)早~8 Ma,说明上覆板片拉张之前的8 Ma板块就已受力汇聚,这为诱发俯冲起始提供了直接的地质学证据。 


该研究对蛇绿岩的相关研究具有以下重要意义: 

(1)SSZ型蛇绿岩因与当今典型俯冲带(例如Izu–Bonin–Marianna)弧前层序特征一致,通常被认为是俯冲起始的产物,成为我们研究俯冲起始及板块缝合的重要研究对象。而该研究表明,俯冲过程中,变质底板明显早于蛇绿岩形成,SSZ蛇绿岩并不像前人认为的能代表俯冲起始!SSZ蛇绿岩可能并不是通常认为的自发俯冲证据。

(2)前人认为变质底板形成于俯冲早期,稍晚于蛇绿岩形成时间(<1-2 Ma),并用变质底板的年龄限定蛇绿岩就位时间(eg, Wakabayashi and Dilek,2003)。现在看来,这种观点可能需要重新审视。

(3)前人对SSZ蛇绿岩的成因存在两种假设,一种观点认为SSZ蛇绿岩为先存的MORB型大洋岩石圈,它们在俯冲带发生改造并残留下来。另一种观点认为洋内俯冲起始触发地幔上涌进而形成了SSZ蛇绿岩。支持第一种观点的主要证据为前人给出的变质底板年龄稍晚于蛇绿岩年龄,而本文给出的年代学数据明显不再支持第一种假设。

俯冲起始应以何作为标志?SSZ蛇绿岩代表什么?Guilmette et al. (2018)揭示的年代学规律是否具有普遍意义?希望本文为俯冲起始及蛇绿岩的相关研究带来新的讨论及思考。


相关参考文献 

1.Agard P, Yamato P, Soret M, et al. Plate interface rheological switches during subduction infancy: Control on slab penetration and metamorphic sole formation[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 451: 208-220.

2.Arculus R J, Ishizuka O, Bogus K A, et al. A record of spontaneous subduction initiation in the Izu-Bonin-Mariana arc[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(9): 728-733.

3.Guilmette C, Smit M A, van Hinsbergen D J J, et al. Forced subduction initiation recorded in the sole and crust of the Semail Ophiolite of Oman[J]. Nature Geoscience, 201811688-695.

4.Hacker B R, Mosenfelder J L, Gnos E. Rapid emplacement of the Oman ophiolite: Thermal and geochronologic constraints[J]. Tectonics, 1996, 15(6): 1230-1247.

5.Stern R J. Subduction initiation: Spontaneous and induced[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 226(3-4): 275-292. 

6.Wakabayashi J, Dilek Y. What constitutes emplacementof an ophiolite?: Mechanisms and relationship to subduction initiation and formation of metamorphic soles[J]. Geological Society, London, Special Publications, 2003, 218(1): 427-447.  

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