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【前沿報道】Nature Geoscience:誘發俯沖起始的首例地質證據——對蛇綠巖研究的啟示
2018-09-20 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  俯沖起始是指俯沖帶發育為成熟俯沖體系之前的短暫過程,它是洋盆閉合的必要條件,是威爾遜旋回必不可少的關鍵一環。研究俯沖起始對于理解巖石圈結構、板塊構造驅動力以及地球演化歷史均具有重要意義。然而,由于俯沖起始發生的過程極其短暫,且本身是一個破壞過程,目前我們對其成因及機制依然知之甚少。 

  Stern (2004)將俯沖起始分為兩類——自發俯沖起始和誘發俯沖起始。自發俯沖起始的應力來源于板塊自身的負浮力,如大洋轉換斷層或被動大陸邊緣處由于重力不穩定引發的巖石圈坍塌;誘發俯沖起始的應力則來源于遠場對先存薄弱帶的作用。區分兩種方式的根本標志是,從俯沖板片發生埋藏到上覆板片開始拉張的時間間隔不同:自發俯沖起始時,俯沖板片向下俯沖,上覆板片同時拉張以平衡區域應力;而誘發俯沖起始時,俯沖板片被迫下插累積到一定時間后,上覆板片才發生拉張。自發俯沖起始目前已得到較廣泛的研究,出露于Izu–Bonin–Marianna俯沖帶附近的基底熔巖是目前自發俯沖起始的直接地質證據(Arculus et al., 2015。而誘發俯沖起始雖然有數值模擬實驗支持,但仍未發現地質記錄。 

1  自發俯沖VS.誘發俯沖概念圖(Guilmette et al., 2018

  通常認為,SSZ蛇綠巖和變質底板(metamorphic sole)是俯沖早期的地質證據。SSZ型蛇綠巖為殘留的弧前大洋巖石圈,組分上類似于當今Izu–Bonin–Marianna弧前,形成于俯沖起始階段,隨后隆升到海平面之上;變質底板是分布在蛇綠巖之下的~10-500 m的變質層,主要為角閃巖相或麻粒巖相的變玄武巖。前人普遍認為變質底板來源于俯沖板片的表層,是蛇綠巖就位的變質產物。在俯沖早期,俯沖界面上存在連續的兩次流變學轉換,當俯沖板片與上覆地幔楔流變學性質相似時,板片俯沖的阻力最大,此時俯沖板片的上部物質撕裂并焊接到上覆地幔楔底部,從而形成現今的變質底板Agard et al., 2016。由于前人的年代學數據表明蛇綠巖比變質底板通常具稍早(或相似)的年齡(Hacker et al., 1996),SSZ蛇綠巖通常被認為可代表俯沖起始的地質記錄。 

  阿曼Semail蛇綠巖是當今出露最好的蛇綠巖剖面之一。大量研究工作表明,Semail蛇綠巖年齡為96.12-95.50 Ma,變質底板角閃石40Ar/39Ar和鋯石U-Pb年齡為96-95 Ma。2018827日,Nature Geoscience在線發表了Guilmette et al. (2018)關于本區誘發俯沖起始的研究成果。他們對阿曼Semail SSZ型蛇綠巖及變質底板進行了精確的年代學研究,給出了不同的變質底板年齡。研究表明,變質底板角閃巖中石榴石具清晰的生長環帶,石榴石-全巖Lu-Hf等時線年齡為103.7±0.7 Ma,表明石榴石在~104 Ma就開始生長,對應變質底板的埋藏過程,即初始俯沖(圖2)。變質底板形成(板片埋藏)時間比上覆板片拉張(SSZ型蛇綠巖形成)早~8 Ma,說明上覆板片拉張之前的8 Ma板塊就已受力匯聚,這為誘發俯沖起始提供了直接的地質學證據。 

2  Semail蛇綠巖變質底板的P-T-t軌跡(Guilmette et al., 2018

  該研究對蛇綠巖的相關研究具有以下重要意義: 

  1SSZ型蛇綠巖因與當今典型俯沖帶(例如Izu–Bonin–Marianna)弧前層序特征一致,通常被認為是俯沖起始的產物,成為我們研究俯沖起始及板塊縫合的重要研究對象。而該研究表明,俯沖過程中,變質底板明顯早于蛇綠巖形成,SSZ蛇綠巖并不像前人認為的能代表俯沖起始!SSZ蛇綠巖可能并不是通常認為的自發俯沖證據。

  2)前人認為變質底板形成于俯沖早期,稍晚于蛇綠巖形成時間(<1-2 Ma),并用變質底板的年齡限定蛇綠巖就位時間(eg, Wakabayashi and Dilek,2003)?,F在看來,這種觀點可能需要重新審視。

  3)前人對SSZ蛇綠巖的成因存在兩種假設,一種觀點認為SSZ蛇綠巖為先存的MORB型大洋巖石圈,它們在俯沖帶發生改造并殘留下來。另一種觀點認為洋內俯沖起始觸發地幔上涌進而形成了SSZ蛇綠巖。支持第一種觀點的主要證據為前人給出的變質底板年齡稍晚于蛇綠巖年齡,而本文給出的年代學數據明顯不再支持第一種假設。

  俯沖起始應以何作為標志?SSZ蛇綠巖代表什么?Guilmette et al. (2018)揭示的年代學規律是否具有普遍意義?希望本文為俯沖起始及蛇綠巖的相關研究帶來新的討論及思考。

 

  相關參考文獻 

  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.原文鏈接 
  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.原文鏈接 
  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, 2018,11688-695.原文鏈接 
  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.原文鏈接 
  5. Stern R J. Subduction initiation: Spontaneous and induced[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 226(3-4): 275-292. 原文鏈接 
  6. Wakabayashi J, Dilek Y. What constitutes ‘emplacement’of an ophiolite?: Mechanisms and relationship to subduction initiation and formation of metamorphic soles[J]. Geological Society, London, Special Publications, 2003, 218(1): 427-447.  原文鏈接 

 

  (撰稿:孫寶璐 楊建鋒/巖石圈室)

 
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