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赵文斌等-JGR: 印度大陆俯冲控制了藏南深部碳释放
2022-07-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  新生代以来的印度与欧亚大陆汇聚和青藏高原隆升机制是大陆动力学研究的焦点课题。随着国际上深部碳循环研究的深入开展,对于印度与欧亚大陆碰撞导致的深部碳循环机理与深部碳释放规模日益受到国际学术界的广泛关注。目前,有关印度与欧亚大陆碰撞带深部碳库的源区性质、化学组成、上升机制以及俯冲大陆板片的作用等仍存在着较大的争议,因此严重影响了学术界对大陆碰撞带深部碳循环的认识与深入理解。

  针对上述科学问题,中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室郭正府研究员团队联合中国地质大学(武汉)、天津大学、中科院西北院以及加拿大魁北克大学蒙特利尔分校等科研单位的合作者,聚焦藏南拉萨地块的火山-温泉气体,开展了火山气体的地球化学研究,结合火山气体的He-C-N同位素模拟计算,探索了大陆碰撞带深源流体的组成、性质与演化机制。在此基础上,进一步研究了俯冲大陆板片在深源流体上升和释放过程中的作用。 

1 拉萨地块温泉气体的He同位素空间分布特征

  温泉气体He-C同位素分布特征与拉萨地块富集地幔的演化 

  藏南拉萨地块大部分的温泉气体以CO2为主(>50%),部分样品的CO2/3He比值低于地幔平均值,并伴随CO2的降低和δ13C值的变轻。温泉气体He同位素的地球化学测试结果显示,气体样品中幔源He的贡献普遍低于5%,且He同位素比值自南向北呈现升高的趋势(图1)。 

2 He-C同位素演变趋势与模拟计算(NLSL表示北拉萨与南拉萨下方地幔的He同位素特征,CEM表示碳酸盐化的富集地幔,XM表示经空气校正的4He/20Ne比值,即XM = (4He/20Ne)measured/(4He/20Ne)ASWXM小于410的黄色区域表示样品遭受到较为严重的空气烘染)

  为了探讨拉萨地块富集地幔的演化与温泉气体He同位素之间的联系,本文利用基于岩石成因的岩浆老化模型(Petrological Magma Aging Model,图4a),以拉萨地块当惹雍错-许如错裂谷(DXR,图1)的钾质火山岩为研究对象,综合考虑了富集地幔源区的部分熔融程度、微量元素分配系数和含量、地幔的初始He同位素和4He含量以及体系演化时间等参数及其概率分布特征,采用蒙特卡洛模拟计算方法,获得了拉萨地块下方富集地幔的He同位素演化序列(图3)。结果显示,富集地幔的Th0+U0元素含量以及4He产率(J4He均较高,在空间上呈现自南向北逐渐降低的趋势,较高的4He产率将导致富集地幔源区局限的区域内He同位素比值降低,He同位素特征明显低于正常地幔(图3c)。因此认为,地幔富集导致的源区低He同位素可以解释拉萨地块温泉气体中极低的He同位素特征,而富集程度自南向北降低与温泉气体He同位素南北向的变化特征相吻合(图3c)。 

  在综合研究拉萨中新世钾质岩-温泉气体的基础上,本文通过模型计算(图2a),认为藏南火山气体的幔源组分来源于深部富集地幔部分熔融与脱气作用,并沿着贯穿地壳的断层上升至地表。 

3 拉萨地块火山岩微量元素与温泉气体同位素计算联合限定富集地幔源区的性质与演化。a)拉萨地块当惹雍错-许如错裂谷的火山岩与富集地幔源区的ThU元素含量南北方向变化特征;(b)地幔源区的4He产率(J4He);(c)地幔源区的He同位素演化特征

  拉萨地块深部碳释放的源区与演化过程 

  气体地球化学特征的对比研究发现,幔源He气体样品相对于壳源He样品具有明显更高的摩尔C/N比值、CO2/3He比值以及偏重的δ13C值,表明幔源He样品中具有更高比例的无机碳酸盐贡献(图2b)。通过He-C同位素的三元混合计算认为,拉萨地块的富集幔源He且具有重C同位素信号的温泉气体可能来源于受碳酸盐交代的富集地幔(CEM)的部分熔融和脱碳反应,而非上覆陆壳碳酸盐的活化。本研究进一步采用二元混合模型计算,量化了幔源气体在上升过程中穿过陆壳时的演化过程。结果显示,上覆的高原大陆地壳物质是流体来源中不可缺少的端元,但对于幔源He气体样品,陆壳变质有机沉积物的贡献比例低于30%(图2b)。    

  俯冲的印度板片对拉萨地块深源流体释放的控制作用 

  拉萨地块温泉气体中壳源He与幔源He样品的界限大致呈现NW-SE向延伸的趋势,这种区域尺度上的地球化学差异指示深部控制因素主导了藏南深源流体的释放。俯冲的印度岩石圈可以阻碍软流圈物质与热流的上涌,起到延缓富集地幔熔融的作用;而印度板片的回撤将引起软流圈地幔的热流增加,进而导致地幔楔从南向北地热梯度的增加;当俯冲板片的角度更大时,这种情况将尤为明显(图4bc)。地球物理研究结果显示,北向俯冲的印度板片在拉萨地块下方的俯冲角度由西向东逐渐增加,这意味着印度板片在谷露-亚东裂谷下方的俯冲角度比当惹雍错-许如错裂谷下方更大(图4bc)。因此,拉萨地块东北部下方的CEM将经历更高程度的部分熔融和脱碳作用,导致对应的温泉气体具有更高的He同位素、更重的C同位素,并且具有更强的土壤CO2扩散脱气速率。 

4 印度板片向北俯冲导致的藏南火山-深源流体释放模式(蓝色虚线表示本研究中壳源和幔源He样品的大致界限,此界限在谷露-亚东裂谷中相对当惹雍错-许如错裂谷更偏南,表明不同的板片俯冲形态对拉萨地块气体样品的区域性控制作用)

  本研究通过藏南拉萨地块火山-气体地球化学观测与模型计算,认为俯冲的印度板片是拉萨地块深源流体地球化学源区以及深部碳释放的主要控制因素。主要体现在两个方面:①物质贡献,印度大陆板片再循环物质对地幔楔的富集改造作用;②热量贡献,俯冲的印度板片几何形态导致富集地幔熔融和脱气作用分化。 

  研究成果发表在国际学术期刊JGRSolid Earth(赵文斌,郭正府*,郑国东,Pinti D L,张茂亮,李菊景,马琳. Subducting Indian lithosphere controls the deep carbon emission in Lhasa terrane, southern Tibet [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127, e2022JB024250. DOI: 10.1029/2022JB024250)。研究成果受科技部重点研发计划、中科院先导科技专项及第二次青藏高原科考项目的联合资助。 

 
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