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【前沿论坛】牛耀龄:(一)俯冲带成因假说的地质学验证,(二)全球洋脊玄武岩组成的地球动力学意义:争论与进展
2019-02-05 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

报告人:牛耀龄∣整理:张维骐(岩石圈演化国家重点实验室)

  简介 

  板块构造理论的问世在地球科学乃至人类科学历史上具有重要意义,它为理解地质过程提供了全新的思路与框架。例如:板块构造合理解释了地球上两类板块边界(离散型和汇聚型板块边界)上的地震和火山活动的发生。板块构造理论当中最重要的两个地质过程便是海底扩张和俯冲过程。海底扩张发生在洋中脊位置,由于软流圈地幔减压上涌发生部分熔融而产生大洋岩石圈。而大洋岩石圈进入到俯冲带后,由于其高密度产生的浮力差而持续下沉并最终消亡。 

  2018117日,英国杜伦大学牛耀龄教授应邀来我所开展学术交流与访问,并针对板块构造理论最核心的这两个地质过程作了题为俯冲带成因假说的地质学验证全球洋脊玄武岩的地球动力学意义:争论与进展的学术前沿报告。     

  一、俯冲带成因假说的地质学验证

  1. 科学问题 

  板块构造理论的提出是地球科学史上的重要革命,它为深刻理解地球动力学奠定了坚实的基础。板块构造理论中最为重要的动力学过程之一是俯冲过程,然而关于俯冲是如何开始的则存在很大的争议。俯冲起始的问题包括俯冲起始的机制问题以及俯冲带形成的控制因素。关于俯冲起始机制,Stern et al.2004)提出存在自发俯冲和诱发俯冲两种可能性,但牛耀龄指出这两种可能的机制都无法直接验证。但他认为,俯冲带的形成的控制因素则是可以被验证的。 

  俯冲带形成位置的本质上的决定因素究竟是什么?为何俯冲带可以形成于我们目前观察到的位置,而不是其它位置?未来俯冲带可能在哪些位置形成?牛耀龄教授认为大洋岩石圈内部横向上的密度差异是产生俯冲带的先决条件,而具备这一条件的绝佳位置是被动大陆边缘和大洋高原边缘。 

  在第一个报告中,牛耀龄教授就俯冲带是否起源于大洋岩石圈内部横向的密度差异这一科学问题的提出、观察和未来可能的验证方法进行了讨论。     

  2. 相关的观察资料 

  首先,地质观察支持密度差异是造成洋陆俯冲带形成的重要因素。东太平洋俯冲体系中,Nazca板块俯冲至南美板块Andes之下,这一深刻的动力学过程可以持续进行的关键因素是Nazca板块具有显著高于南美板块的岩石圈密度,密度差产生的上下板块的浮力反差使得Nazca板块的俯冲可以持续进行。这一密度差的存在显然是明显早于俯冲带的形成的,因为南美板块具有前寒武纪的基底物质,而Nazca板块则年轻于300Ma。这意味着原本是南美板块的被动大陆边缘的洋陆转换带的密度差异是造成这一位置俯冲起始的重要原因。 

  同样地,地质观察也支持造成洋内俯冲带形成的主要因素是岩石圈内部的密度差异。前人对典型的弧前地幔橄榄岩(例如TongaMariana弧前橄榄岩)的研究发现这些地幔橄榄岩明显比洋脊环境的深海橄榄岩要难熔和亏损。随着部分熔融程度的升高,地幔橄榄岩的密度会有显著的下降,这同样也是造成大陆克拉通岩石圈地幔稳定性的重要因素。这种弧前橄榄岩高度亏损的原因的主流观点是俯冲起始后板片脱水加入地幔楔产生高度熔融的结果(Dick and Bullen, 1984)。然而有三个证据表明这一看法不完全正确:(1)地幔楔的物质流动方向是自上而下,这使得经历二阶段熔融的难熔橄榄岩难以就位至弧前物质;(2Os同位素研究表明,古老的地幔物质普遍存在于弧前的地幔橄榄岩中,这似乎表明弧前地幔的难熔性质是源于古老的熔融事件,而非近期与俯冲相关的过程(Parkinson et al.1998);(3)位于Tonga弧前橄榄岩的原始堆晶岩为贫水体系产出的橄长岩,这表明其母岩浆并非富水熔体。牛耀龄教授据此推断:洋内俯冲带两侧的地幔橄榄岩的密度差异早在俯冲起始之前就已经存在。Marianan弧前橄榄岩的古老Os同位素性质表明其可能是古亚洲大陆岩石圈的残留,因此Marianan俯冲带形成之前这个位置可能是一被动大陆边缘;而Tonga弧前具备的难熔、贫水特征可能表明Tonga俯冲带形成于大洋高原岩石圈与正常大洋岩石圈的边界。     

  3. 假说的提出与未来检验 

  首先,从原理上,大洋高原边缘或者被动大陆边缘可以形成俯冲带。地幔柱起源于深部地幔,甚至核幔边界,地幔柱顶端抵达至上地幔浅部时,由于其与正常软流圈地幔相比具有更高的潜能温度,可以造成更高程度的部分熔融,形成极为难熔的、低密度的残余地幔橄榄岩。在这种大洋高原边缘,由于与周围正常大洋岩石圈的密度差异,正常岩石圈的高密度会导致其发生下沉,进而形成新的俯冲带。同样被动大陆边缘具有巨大的横向岩石圈物质组成差异,会引起极大地浮力反差,密度较大的大洋岩石圈会导致其下沉,进而形成俯冲带。通过模拟计算,牛耀龄教授指出大洋岩石圈物质成分差异引起的浮力反差在横向挤压下足以导致岩石圈发生破裂和俯冲带的诞生(图1)。 

1 岩石圈内部物质组成差异导致的密度差是俯冲带形成基本条件和机理的定性和定量示意 (Niu et al.2003)

  牛耀龄教授假设Tonga/Fiji弧前为大洋高原岩石圈,代表了Louisville地幔柱的柱头,而Kamchatka岛弧岩石圈则为Hawaii热点对应的地幔柱的柱头。为了检验这一假说,了解现今环太平洋的俯冲带岛弧的基底的物质组成和岩石圈属性便成为了关键。其中,俯冲带通过水的注入会导致地幔楔橄榄岩蛇纹石化诱发底辟,蛇纹岩底辟会将沿途的岩石圈基底物质剥露至海沟附近,未来可以通过沿海沟的拖网采样获取这些基底物质,进而窥探岛弧的基底物质组成和岩石圈性质。    

  4. 俯冲带海沟后撤  

  牛耀龄教授讨论的另一问题是俯冲带后撤的动力学意义。对于洋陆型俯冲带,随着俯冲带的演化,俯冲板片会在重力作用下发生回转以及后撤,进而产生俯冲带、海沟的后撤,其结果是俯冲带上部的大陆岩石圈会紧随俯冲带被动迁移 (如图2)。这种上覆的大陆岩石圈的被动迁移是大陆漂移的一种方式。例如,对于Andes大陆俯冲带,南美洲板块随着Nazca板块俯冲引发的俯冲带后撤而发生被动迁移,这不仅造成了南美洲大陆的漂移,也造成了大西洋的海底扩张。因此,俯冲带海沟后撤也就为俯冲过程、大陆漂移和海底扩张提供了动力学机制上的解释。牛耀龄教授还强调东太平洋海底扩张为主动的海底扩张,而太平洋的主动扩张造成的东西太平洋俯冲带的后撤是导致西太平洋大量弧后盆地形成、大西洋的被动拉张以及南美大陆漂移的关键因素。 

2 俯冲带 (海沟) 后撤,上覆大陆板块紧跟 (即大陆漂移) 并处于拉张状态 

  二、全球洋脊玄武岩的地球动力学意义:争论与进展 

  1. 科学问题 

  洋中脊是软流圈地幔绝热上升的中心,软流圈地幔在此过程中由于减压上涌,发生部分熔融产生的岩浆上升喷发至洋底便形成洋中脊玄武岩(MORB)。因此,MORB的化学组成便记录了软流圈地幔源区的性质(例如:地幔潜能温度、地幔源区物质组成)。 

  然而,MORB在喷发之前还会经历岩浆结晶分异过程,因而会存在不同主量元素氧化物wt.%MgO wt.%之间的线性关系。因而,Klein and Langmuir1987)将全球MORB的化学组成校正到MgO=8 wt.%以消除结晶分异过程的影响,他们发现校正后MORB的组成和全球洋脊水深相关。随着洋脊水深变浅,MORBNa8降低而Fe8升高,这反映了地幔潜能温度的变化,其变化范围可达250K。因此,全球MORB的化学组成和洋脊水深的变化反映了地幔潜能温度的改变,这一观点被普遍接受。 

  然而,牛耀龄教授在第二个报告开头指出Klein and Langmuir1987)对MORB的校正方法计算出的地幔潜能温度的变化没有意义,因为Fe8对应的岩浆的Mg#=0.55-0.68和地幔橄榄岩无法达到平衡,这也就意味着这些岩浆不能够反映地幔源区产生的MORB的初始熔体组成。Niu and O’Hara2008)以及Niu2016)的文章对于Klein and Langmuir1987)以及后续Gale et al.2014)的校正方法和观点的不合理性也进行了详细论述。因此,Klein and Langmuir1987)对MORB化学组成和洋脊水深的影响因素和洋脊动力学的认识可能有误。给出新的MORB化学组成的校正方法是解决MORB化学组成和洋脊水深的影响因素这一科学问题的关键。 

  2. 数据选取和新的校正方案 

  合理的数据选取是得到可靠结果的重要前提,首先几类MORB样品被剔除:1SiO2>53wt.%,这类高硅MORB的成因可能较为复杂,例如涉及二阶段结晶分异过程 Wanless et al.2010);2)没有洋脊水深信息;3)洋脊水深<400m的位置的MORB,以排除热点的影响;4MgO<7wt.%,因为演化程度过高的样品的校正会产生较大误差。最终,全球9130件样品被选取以进行校正。 

  Niu and O'Hara (2008)MORB的组成进行结晶分异校正到Mg#等于0.72,因为Mg#0.72的岩浆是和地幔橄榄岩的橄榄石(Fo=89.6)平衡的。经过这样校正的MORB组成可以真实地反映地幔源区或者地幔过程信息。而Klein and Langmuir1987)对MORB的校正方法得到的MORB组成是和更为富Fe、非地幔来源的橄榄石平衡,不同程度上还是受到了结晶分异过程的影响。 

  同时,为了消除洋脊水深平均化可能产生的影响,Niu and O'Hara (2008)使用了样品实际的深度信息,不考虑实际的位置,将数据的洋脊水深分为22段,对不同段内的校正数据进行归一化。这样的校正结果消除掉了:1)扩张速率变化,2)局部地幔不均一性,3)地幔熔融区域几何形态的差异,4)洋脊构造差异和5)次一级的岩浆过程的影响,因此,具有最高的客观性。 

  3. MORB化学组成和洋脊水深之间相关性 

  全球MORBFe72则只显示出Klein and Langmuir1987的结果中MORB Fe8变化的1/5,如果Klein and Langmuir1987)的结果中MORB Fe8的变化反映了地幔潜能温度250K的变化,那么Niu and O'Hara (2008)的结果表明地幔潜能温度只有50K的变化。这充分说明MORB源区的地幔潜能温度变化并不显著,这和McKenzie and Bickle1988的认识因为洋壳较小的厚度变化,来自绝热上涌的大部分软流圈地幔具有大致相似的温度一致。更为显著的是,Niu and O'Hara (2008)的未校正的MORB数据结果和Klein and Langmuir1987)的校正数据结果具有高度的相似性,这也进一步说明Klein and Langmuir1987)的校正方案无意义,其结论欠缺说服力。 

  Niu and O'Hara (2008)的结果表明随着洋脊水深的升高,Al72,Na72,Ti72均升高,而Ca72,Mg72,Fe72Ca72/Al72均降低(如图3)。这表明深脊的地幔源区具有更高的石榴子石组分、单斜辉石更高的Na含量,这意味着深脊的地幔源区组分上更为富集、饱满且密度较大。地幔源区较大的密度也与较高的洋脊水深相吻合。 

3 洋脊水深与洋脊玄武岩校正回Mg#=0.72后的值之间的相关性 (据Niu and O’Hara2008 

  因此,洋脊水深与洋脊玄武岩成分的内在联系是地幔源区的物质组成、密度差异。对于深脊地区,密度较大的地幔源区造成地幔上涌速率较小,因而传导散热较为低效,产生较厚的热边界层;同时也使得熔融在深度较高时停止,产生较短的部分熔融区间。较深、较小的部分熔融区域导致深脊地区不仅洋壳厚度较小,而且MORB的组分上更为富集。而对于浅脊地区,密度较小的地幔源区产生快速的地幔上涌和较薄的热边界层,因而具有较长的部分熔融区间,产生较厚的洋壳。快速、高效地地幔上涌以及较厚的洋壳是产生海底正地形、较小的洋脊水深的重要原因。 

4 地幔物质组成造成洋脊水深变化的深部动力学机制解释 (据Niu and O’Hara2008 

  【主要参考文献】 

  Dick H J B, Bullen T. Chromian spinel as a petrogenetic indicator in abyssal and alpine-type peridotites and spatially associated lavas[J]. Contributions to mineralogy and petrology, 1984, 86(1): 54-76.原文链接

  Gale A, Langmuir C H, Dalton C A. The global systematics of ocean ridge basalts and their origin[J]. Journal of Petrology, 2014, 55(6): 1051-1082.原文链接

  Klein E M, Langmuir C H. Global correlations of ocean ridge basalt chemistry with axial depth and crustal thickness[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1987, 92(B8): 8089-8115.原文链接

  McKenzie D, Bickle M J. The volume and composition of melt generated by extension of the lithosphere[J]. Journal of Petrology, 1988, 29(3): 625-679.原文链接

  Niu Y, O'hara M J, Pearce J A. Initiation of subduction zones as a consequence of lateral compositional buoyancy contrast within the lithosphere: a petrological perspective[J]. Journal of Petrology, 2003, 44(5): 851-866.原文链接

  Niu Y, O’Hara M J. Global correlations of ocean ridge basalt chemistry with axial depth: A new perspective[J]. Journal of Petrology, 2008, 49(4): 633-664.原文链接

  Niu Y. The meaning of global ocean ridge basalt major element compositions[J]. Journal of Petrology, 2016, 57(11-12): 2081-2103.原文链接

  Parkinson I J, Hawkesworth C J, Cohen A S. Ancient mantle in a modern arc: Osmium isotopes in Izu-Bonin-Mariana forearc peridotites[J]. Science, 1998, 281(5385): 2011-2013.原文链接

  Stern R J. Subduction initiation: spontaneous and induced[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 226(3-4): 275-292. 原文链接

  Wanless V D, Perfit M R, Ridley W I, et al. Dacite petrogenesis on mid-ocean ridges: evidence for oceanic crustal melting and assimilation[J]. Journal of Petrology, 2010, 51(12): 2377-2410.原文链接

  【致谢:感谢刘传周研究员对本文的修改完善。】

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