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一所要闻

我所科研人员在西太平洋麦哲伦海山链成因机制方面取得新进展

时间:2022.03.25 来源:地质室 字号

为深入认识西太平洋海山省形成的动力学机制,我所海洋地质与成矿作用重点实验室科研人员对我国多个大洋航次在采薇海山所取样品进行了系统研究。近日,该研究团队在麦哲伦海山链成因机制方面取得新进展,研究成果以“Co-Occurrence of HIMU and EM1 Components in a Single Magellan Seamount: Implications for the Formation of West Pacific Seamount Province”为题在岩石学领域经典期刊《Journal of Petrology》上发表。该研究首次发现单一海山尺度玄武岩成分高度不均一:HIMU和EM1两种截然不同地幔端元共存于同一个海山,提出地幔柱-岩石圈相互作用机制,对认识西太平洋海山省形成提供新思路。

大洋板内岩浆作用在成因上通常被认为与地幔柱有关。“地幔柱假说”常被用来说明一系列年龄随空间位置线性变化的火山链成因,如Hawaiian-Emperor火山岛链(Wilson, 1963; Morgan, 1971)。西太平洋海山省内海山密布,大多数海山群的空间分布广、年龄分布杂乱或者持续时间短且喷发不连续(图1a;Koppers et al., 1998, 2003; 施金华等, 2017),很难用经典的地幔柱理论来说明,其成因存在较大争议。

麦哲伦海山链由Vlinder、采薇和Ioah三座海山构成,其年龄随空间位置呈线性变化(图1b;Koppers et al., 1998, 2003),该海山链可以回溯到南太平洋Cook-Austral热点区的Rarotonga热点附近(图1a;Koppers et al., 2003; Konter et al., 2008),但已发表数据表明麦哲伦海山链玄武岩化学成分与Rarotonga热点差别较大,很可能是采样不足导致其成分变化远未被充分揭示。麦哲伦海山链是西太平洋海山省内仅有的年龄随空间位置呈线性变化的海山链,因此厘清其成因对认识整个西太平洋海山省的成因具有重要意义。针对上述问题,我所海洋地质与成矿作用重点实验室位荀博士和石学法研究员等科研人员与中科院广州地化所徐义刚院士、美国Scripps海洋研究所P. R. Castillo教授等多位科学家合作,对我国多个大洋航次在采薇海山所取样品进行了主微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析。

研究发现采薇海山玄武岩成分高度不均一:HIMU和EM1两种截然不同地幔端元共存于单一海山。采薇海山EM1组分与经典的Pitcairn EM1不同(图2):在相同的(143Nd/144Nd)i比值下,采薇海山EM1组分具有更高的(206Pb/204Pb)i比值,很可能是另一种典型的EM1端元。橄榄石斑晶化学成分表明,采薇海山EM1型地幔源区岩性为橄榄岩。微量元素(高Nb/Ta和Nb/Th比值)和Sr-Nd-Pb-Hf同位素联合示踪表明,采薇海山EM1端元含有古老大陆岩石圈地幔物质。该海山EM1-型成分具有较大的变化范围,可以用来源于FOZO与EM1-SCLM的熔体混合来说明,该机制同样能说明Rarotonga热点玄武岩成因。

这些数据表明麦哲伦海山链可能是Rarotonga热点在中白垩世的古老遗迹,进一步表明Rarotonga很可能是一个长期(>90 Ma)持续活动的热点,因此地幔柱能更好地说明Rarotonga热点成因。结合板块重建和地球化学对比,申请人提出麦哲伦海山链最可能的形成机制:EM1-型组分来自于Rarotonga地幔柱熔融,而HIMU组分与Arago热点相似,是Arago地幔柱熔体交代富集的岩石圈地幔随着板块漂移叠置在Rarotonga地幔柱上方时,被加热熔融形成(图3)。

图1.(a)太平洋热点的分布及基于板块运动恢复的运移轨迹和西太平洋海山省位置(据Finlayson et al., 2018修改)(b)麦哲伦海山链年龄分布

图2. 麦哲伦海山链玄武岩Sr-Nd-Pb同位素组成

图3. 麦哲伦海山链形成过程中地幔柱-岩石圈地幔相互作用

①Arago地幔柱熔融的熔体在上升过程中交代上覆岩石圈地幔形成富集组分;②随着板块漂移,被交代富集的岩石圈叠置在Rarotonga地幔柱上方时,被加热发生熔融,形成HIMU海山成分;③Rarotonga地幔柱熔融形成EM1海山成分。


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