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广州地化所提出构造环境判别新方法,广州地化所在俯冲带超临界流体元素迁移研究方面取得重要进展

日期: 2019-12-11 08:28 浏览次数 : 148

高场强元素Nb-Ta-Ti通常认为是流体不运移元素,常用来判别构造环境及热液变质过程中计算元素迁移量的参考元素,高温高压实验也证明TiO2在富水流体中溶解度极低,从而支持富水流体难以迁移Nb-Ta-Ti的观点。然而在俯冲折返的榴辉岩中发现大量含金红石的石英脉,指示在特殊条件下Nb-Ta-Ti是运移的。俯冲板片变质脱水形成的流体不止是简单的富水流体,因为随着温度压力的升高,水在熔体中的溶解度升高,同时熔体在水中的溶解度也升高,所以在高温高压条件下二者完全混溶形成富含硅酸盐成分的超临界流体,这种流体可能具有超强的元素迁移能力。榴辉岩中的石英脉通常认为是从超临界流体中沉淀出来的,超临界流体可以搬运高场强元素并且导致Nb/Ta分异,并且推测超临界流体具备低Nb/Ta比值特征,这种低Nb/Ta的超临界流体从板片抽取后可以使残留榴辉岩具备高Nb/Ta值从而解决“Nb-paradox”问题。这个假说是否成立取决于超临界流体对金红石的溶解能力以及Nb-Ta在金红石与超临界流体之间的分配行为,然而这个领域的实验研究尚处于空白。

识别岩浆产出的构造环境是地质研究的重要内容之一。传统的构造判别方法对于源区受到俯冲交代的岩浆岩构造环境判别存在问题,因而急需一种新的判别方法识别这类岩浆的构造环境。中国科学院广州地球化学研究所运用B同位素在判别中亚造山带(Central Asian Orogenic Belt)二叠纪构造环境上取得了新进展。

为了解决上述科学问题,中科院广州地球化学研究所同位素国家重点实验室博士生陈伟在熊小林研究员的指导下利用高温高压实验手段研究了金红石在富硅超临界流体中的溶解度及Nb-Ta分配和分异行为,综合温度、压力和流体成分的影响后可以得到以下结论:

中亚造山带位于西伯利亚克拉通、华北-塔里木克拉通和欧洲克拉通之间,是全球最大的显生宙增生型造山带。其地壳生长由北向南逐步增生,时代上始于约1000 Ma,止于晚石炭世或三叠纪。长期以来,对中亚造山带构造环境,尤其是二叠纪的构造背景存有争议。前人运用岩石地化手段对构造环境的判别多依赖于传统的微量元素图解投图。由于中亚造山带经历了多期俯冲事件,其岩石圈地幔甚至软流圈地幔的地球化学特征已经被俯冲流体/熔体所重置,因此无论产于俯冲带还是板内环境的岩浆均显示岛弧岩浆的特征。因此传统地球化学手段无法准确判断岩浆形成的构造背景。

俯冲带环境中超临界流体是迁移高场强元素的有效介质。

B同位素和Nb元素在俯冲环境和板内环境下存在显著的行为差异,为构造环境的判别提供了新的思路。在板块俯冲过程中,B是不相容活动元素,倾向于随流体进入地幔楔,同时B同位素发生分馏,11B随流体进入地幔楔;而Nb元素则滞留于俯冲的板片。因此,随着俯冲的深入,俯冲流体的δ11B

B/Nb呈现出正相关性;而由于地幔楔继承了这一特性,并且在部分熔融过程中B和Nb不分异,因而形成的岛弧岩浆岩具有高的B含量和高的δ11B值;随着俯冲的深入,B/Nb比值与δ11B值大致呈正相关关系。相反,起源于再循环洋壳的板内岩浆由于经历了俯冲过程的脱水作用,B含量降低,在δ11B

  • B/Nb图中呈负相关关系。

对中亚造山带南缘吐哈盆地大南湖石炭纪-二叠纪火山岩剖面的安山岩和玄武岩进行了研究,发现两套岩石均具有大离子亲石元素相对于高场强元素富集和类似于MORB的Sr-Nd-Pb同位素组成特征,即典型的岛弧岩浆特征。然而石炭纪安山岩呈现出B/Nb与δ11B正相关关系,与世界范围内典型的岛弧岩浆相似,形成于俯冲环境;而二叠纪岩浆岩呈现出负相关的特征,与世界范围内的板内岩浆相似,形成于板内环境。因此中亚造山带南缘在石炭纪-二叠纪发生了构造转折。考虑到该区域广泛存在一次二叠纪热异常的证据,因此二叠纪玄武岩可能是受到交代的岩石圈地幔在地幔柱烘烤下的熔融产物。

该研究由广州地化所徐义刚课题组博士刘海泉完成,相关研究成果发表于《地球物理研究杂志:固体地球》(Journal of Geophysical Research: Solid Earth)。该研究得到中科院先导B专项(XDB18000000)和国家“973”项目(2011CB808900)资助。

论文信息:Liu, H.-Q., Xu, Y.-G., Wei, G.-J., Wei, J.-X., Yang, F., Chen, X.-Y., Liu, L., and Wei, X., 2016. B isotopes of Carboniferous-Permian volcanic rocks in the Tuha basin mirror a transition from subduction to intraplate setting in Central Asian Orogenic Belt. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 121: 7946-7964.

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图1:δ11B - B/Nb图解判别大南湖石炭纪-二叠纪火山岩的构造背景

超临界流体从俯冲板片抽取后并不能导致残留榴辉岩具备高Nb/Ta比值的特征。

多数情况下超临界流体从俯冲板片脱离后由于减压和与地幔反应将分解为两个不混溶流体相;稀的流体到达岛弧岩浆源区直接触发其熔融,而稠的流体相在板片/地幔界面交代地幔,可能并被板片拖到深部成为尾弧碱性岩浆的源区。

由中国科学院先导专项B(XDB18000000)及国家自然科学基金资助,研究成果6月份已发表在Nature Index期刊 《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上,审稿人认为“the science is at the forefront of the discipline”;“This research is desperately needed owing to our rather poor understanding of the mobility of these elements in subduction zone environments”。

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Wei,Chen;Xiaolin,Xiong;Jintuan,Wang;Shuo,Xue;Li,Li;Xingcheng,Liu;Xing,Ding;Maoshuang,Song.. TiO2 solubility and Nb and Ta partitioning in rutile – silica-rich supercritical fluid systems: implications for subduction zone processes. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, .