海洋所揭示西太平洋早白堊紀(jì)加瓜海脊弧火山巖成因及地幔楔屬性
近日,中科院海洋所張國(guó)良課題組在國(guó)際地學(xué)期刊《Geochemistry Geophysics Geosystems》發(fā)表了題為“Geochemical and chronological constraints on the origin and mantle source of Early Cretaceous arc volcanism on the Gagua Ridge in western Pacific”的研究論文,通過(guò)年代學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)綜合研究,揭示了我國(guó)臺(tái)灣以東(或西菲律賓海西邊界)的加瓜海脊是形成于早白堊紀(jì)時(shí)期(124-115 Ma)的洋內(nèi)島弧,島弧巖漿源區(qū)主要來(lái)自俯沖沉積物和弧下地幔楔的相互作用,指出該區(qū)早白堊時(shí)期存在太平洋型地幔。
通常認(rèn)為,西太平洋在中生代時(shí)期可能廣泛存在板塊俯沖,然而,現(xiàn)代西太平洋海盆和島弧幾乎都形成于新生代以來(lái),尤其是新生代以來(lái)西太平洋海盆火山巖組成反映了這里主要存在印度洋型(Dupal 異常)地幔,例如伊豆小笠原-馬里亞納島弧以西的海盆通常都是印度洋型地幔。然而,關(guān)于這種類(lèi)型地幔長(zhǎng)期存在于西太平洋,或是后期被印度洋型地幔所替換,還缺少證據(jù),西太平洋極少出現(xiàn)中生代洋盆或島弧火山巖,這導(dǎo)致新生代以前的西太平洋島弧演化歷史和下伏地幔組成性質(zhì)很不清楚。
加瓜海脊構(gòu)成了臺(tái)灣以東花東海盆與菲律賓海盆之間的板塊邊界(圖1)。長(zhǎng)期以來(lái),由于巖石學(xué)和地球化學(xué)研究工作有限,關(guān)于加瓜海脊的時(shí)代、基巖性質(zhì)及成因背景還存在基本性爭(zhēng)議。本次研究在中科院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)資助下,在加瓜海脊中段采樣獲得了一系列火山巖,張國(guó)良研究組與墨爾本大學(xué)David Phillips團(tuán)隊(duì)合作,對(duì)42個(gè)火山巖樣本開(kāi)展了系統(tǒng)的40Ar-39Ar年代學(xué)(圖2)、主量和微量元素及同位素分析(Sr-Nd-Hf-Pb-Mg)(圖3、4、5)。研究發(fā)現(xiàn),加瓜海脊火山巖分為鉀玄巖和玄武質(zhì)安山巖兩類(lèi),均表現(xiàn)為島弧火山巖特有的微量元素組成特征,其中,玄武質(zhì)安山巖形成于124-123Ma,鉀玄巖形成于~115Ma,反映了加瓜海脊是早白堊紀(jì)時(shí)期活動(dòng)的洋內(nèi)島弧。根據(jù)火山巖較高的Th/La比、Nb/Ta比,以及缺少明顯的Zr-Hf負(fù)異常等特征,研究認(rèn)為俯沖板片沉積物組分發(fā)生了以金紅石為殘留相的部分熔融。偏重的 Mg同位素特征(δ26Mg可達(dá)0.4‰)及其與La、La/Yb等良好相關(guān)性(圖6),進(jìn)一步反映了俯沖板片組分的顯著影響。
大多數(shù)加瓜海脊火山巖在Hf-Nd同位素組成上位于太平洋型地幔域(圖5),主要反映了下部屬于太平洋型地幔楔性質(zhì),這些火山巖在Pb同位素組成圖解上,主要表現(xiàn)為印度洋型特征,反映了地幔楔受到俯沖帶流體組分的影響,而不是地幔楔本身特征。這一觀測(cè)結(jié)果顯示,西太平洋在中生代時(shí)期存在太平洋型地幔,加瓜海脊可能代表存在于太平洋內(nèi)部的洋內(nèi)島弧系統(tǒng)(圖7)。
本次研究通過(guò)火山巖年代學(xué)、巖石學(xué)和地球化學(xué)綜合研究,揭示了西太平洋現(xiàn)存早白堊紀(jì)島弧火山巖的年代、成因及其地幔楔組成性質(zhì),對(duì)認(rèn)識(shí)西太平洋板塊俯沖、異常地幔來(lái)源及其演化歷史具有重要指示意義。論文第一作者和通訊作者為中科院海洋所張國(guó)良研究員,研究得到海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
原文鏈接: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

圖 1. 加瓜海脊地質(zhì)構(gòu)造和島弧火山巖采樣(紅星)位置分布

圖 2. 加瓜海脊島弧火山巖40Ar-39Ar年齡結(jié)果(124-115 Ma)

圖3. 加瓜海脊兩類(lèi)島弧火山巖K2O-SiO2分類(lèi)圖解

圖4. 加瓜海脊兩類(lèi)島弧火山巖微量元素配分圖解

圖5. 加瓜海脊島弧火山巖同位素組成圖解

圖6. 加瓜海脊島弧火山巖Mg同位素與微量元素關(guān)系圖

圖7. 加瓜海脊島弧火山巖成因模式圖及地幔楔組成示意圖
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