Science Advances報道海洋所發(fā)現(xiàn)板塊構(gòu)造驅(qū)動地幔不均一性演化
在現(xiàn)代地球上,板塊俯沖改變著對流地幔的化學(xué)組成,與之相關(guān)的典型地幔源區(qū)被廣泛研究和論證。然而,在地質(zhì)歷史時期,對流地幔的化學(xué)不均一性始于何時,地球動力學(xué)演化及關(guān)鍵構(gòu)造事件是否改變著對流地幔的化學(xué)成分,這些關(guān)鍵科學(xué)問題的研究程度相對較低。中國科學(xué)院海洋研究所孫衛(wèi)東課題組劉鶴研究員指導(dǎo)博士研究生陳茜采用大數(shù)據(jù)分析方法對上述問題展開了詳細(xì)研究,相關(guān)成果10月16日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances。
陸內(nèi)玄武巖(Intraplate continental basalt)作為對流地幔部分熔融的產(chǎn)物,是研究地質(zhì)歷史時期對流地?;瘜W(xué)成分演化的重要載體。研究人員從EarthChem數(shù)據(jù)庫中采用多項條件篩選出過去10億年間全球范圍內(nèi)形成的陸內(nèi)玄武巖(去掉受地殼混染影響明顯的樣品)。統(tǒng)計分析結(jié)果顯示,具有富集地球化學(xué)特征(εNdi < 0)的陸內(nèi)玄武巖在約300 Ma后才開始普遍出現(xiàn)(圖1)。這一時期正值全球范圍內(nèi)具有殼源物質(zhì)混入特征的金伯利巖的出現(xiàn),其它地幔來源的巖石記錄也顯示了一致的演化趨勢。因此,~300 Ma后富集陸內(nèi)玄武巖的出現(xiàn),反映了全球尺度對流地幔源區(qū)成分的改變。

圖1 近10億年以來陸內(nèi)玄武巖和金伯利巖εNdi的演化歷史
為解釋這一現(xiàn)象,研究人員首先檢測了富集地幔源區(qū)的形成是否可以歸因于與之鄰近的俯沖板片。通過重建具有富集地球化學(xué)特征的陸內(nèi)玄武巖和金伯利巖的古地理位置,顯示富集的幔源巖漿既可能靠近也可能遠(yuǎn)離(>5000 km)俯沖帶。進(jìn)一步對比陸內(nèi)玄武巖和金伯利巖的εNdi值與距離最近俯沖帶的距離(圖2),發(fā)現(xiàn)兩者之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。這意味著,具有富集同位素特征的陸內(nèi)玄武巖和金伯利巖不一定是由與之臨近的俯沖板片直接貢獻(xiàn)形成的。

圖2 陸內(nèi)幔源巖漿的εNdi與其到最近俯沖帶距離的關(guān)系圖解

圖3 近10億年來陸內(nèi)玄武巖和金伯利巖同位素組成的演化歷史
因此,300 Ma后陸內(nèi)玄武巖和金伯利巖的富集源區(qū)特征更可能來自于更早時期的遠(yuǎn)端俯沖的貢獻(xiàn)。開始于新元古代末期(~800-600 Ma)的現(xiàn)代板塊構(gòu)造(Modern plate tectonics),以全球范圍的深冷俯沖和陸殼俯沖為典型特征,尤其是在Gondwana-Pangea超大陸聚合期俯沖通量的顯著增加(圖3),可能從根本上改變了對流地幔的成分,驅(qū)動著全球尺度對流地?;瘜W(xué)不均一的演化。相對于現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動,具有富集特征的對流地幔來源巖漿巖出現(xiàn)的時間滯后了大約300百萬年,這一時間與前人估算的陸殼物質(zhì)隨俯沖板塊下沉至下地幔,并在隨后的地幔上升流中被運移至上地幔而后噴發(fā)所需的最短時間一致。
這項研究成果揭示了新元古代末期現(xiàn)代板塊構(gòu)造在全球范圍內(nèi)的啟動對上地幔成分變化造成的影響,為地球內(nèi)部與表層物質(zhì)循環(huán)的研究提供了新的依據(jù)。
中國科學(xué)院海洋研究所博士生陳茜為本文第一作者,劉鶴研究員為通訊作者,張麗鵬副研究員和孫衛(wèi)東研究員為合作作者。美國卡內(nèi)基研究所Andrea Giuliani以及澳大利亞科廷大學(xué)Luc Doucet和Tim Johnson深度參與了合作。研究得到了國家自然科學(xué)基金和嶗山實驗室等項目資助。
文章信息:
Chen, Q., Liu, H., Giuliani, A., Doucet, L.S., Johnson, T.E., Zhang, L. and Sun, W., 2024. Global mantle perturbations following the onset of modern plate tectonics. Science Advances, 10(42): eadq7476.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq7476
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