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王军等-Geology：俯冲和碰撞期间的致密化引起西南扬子克拉通拆沉

撰稿：发布时间：2022-05-17

克拉通是地球上最古老的稳定陆块，其具有太古代基底和巨厚岩石圈根（可达250km），克拉通地幔的起源和保存机制一直是固体地球科学研究的热点。克拉通地幔是橄榄岩经过高程度熔融之后的残留，其亏损玄武质组分（如Fe和Ca）以及水。通常认为铁的亏损会降低成分密度，水的亏损会升高粘度，这两个物理性质的改变被认为是克拉通地幔长期保持稳定的关键因素。然而一些克拉通（如华北和怀俄明克拉通）在大洋俯冲期间丢失了厚的根，普遍认为这是地幔交代作用（含水、富铁的弧玄武岩加入地幔）的结果。但是最近的高温高压实验发现水对地幔粘度的影响有限，反而高氧逸度可以软化地幔。由于地幔交代作用可以同时改变多个因素（如水、氧逸度和密度），且不稳定的克拉通根通常已经沉入深部地幔，使得很难了解已经丢失的克拉通根的性质，所以克拉通不稳定的主要因素仍然不清楚。此外，已有研究只涉及俯冲环境的克拉通去根，缺乏碰撞环境的案例研究。
针对上述科学问题，中国科学院广州地化所、深地科学卓越创新中心王军博士、王强研究员、但卫副研究员及其合作者选择西南扬子克拉通作为研究对象。选择西南扬子克拉通的原因如下：首先，前人地球物理研究发现该克拉通厚度从核部（~200 km）到西南缘（< 80 km）显著减薄（图1a-b），减薄的克拉通下面存在地震波高速体，其与克拉通核部相连，即西南扬子克拉通发生过拆沉，且存在未完全拆离的根（图1c）；其次，新生代印度-亚洲碰撞后，始新世克拉通根拆沉诱发了广泛的岩石圈地幔来源的钾质岩（图1b）。因此，利用这些幔源钾质岩可以约束不同深度的岩石圈地幔性质，并阐明碰撞环境克拉通不稳定的原因。

图1：（a）中国三个克拉通岩石圈厚度图；（b）西南扬子克拉通始新世钾质岩分布与岩石圈等厚线；（c）图（a）剖面的P 波层析成像以及地形的变化，YZ=拆沉的扬子克拉通根。

        本次工作对位于薄（~70 km）和厚（~120 km）岩石圈之上的云南大理和四川盐源钾质岩（图1b）进行了详细的研究，取得了以下新的认识：
        （1）在相同的MgO（8–15 wt%），大理钾质岩的CaO和FeO比盐源更低，表明前者地幔源区更难熔（refractory，亏损玄武质组分）；另外，大理钾质岩的SiO2比盐源更高，但Sm/Yb比盐源更低，表明前者源区更浅。稀土模拟和主量元素压力计表明：大理钾质岩的源区是尖晶石相（~55 km）含金云母的难熔方辉橄榄岩；盐源钾质岩的源区是石榴石相（~130 km）含金云母的饱满二辉橄榄岩。
        （2）大理钾质岩的橄榄石斑晶的最高Fo（100×Mg/[Mg+Fe] = 94.2）值比盐源（Fo = 91.3）更高，前者高Fo橄榄石的氧同位素更低（大理δ¹⁸O = 5.2‰；盐源δ¹⁸O = 5.9‰）。因为原生岩浆橄榄石斑晶的最高Fo值与地幔源区橄榄石Fo值一致，所以橄榄石成分也暗示大理钾质岩的地幔源区更难熔。但橄榄石-尖晶石的氧逸度计和橄榄石-全岩的钙湿度计表明大理（△FMQ = 1.9 ± 0.3；H₂O = 6.7 ± 0.9 wt%；1σ）和盐源钾质岩（△FMQ = 1.5 ± 0.1；H₂O = 6.0 ± 0.2 wt%；1σ）都是富水和高氧逸度特征。
        （3）由于源区橄榄岩密度与其橄榄石Fo值负相关，因此深部岩石圈根的密度比浅部更大（差值~0.044g/cm3）。考虑到深部岩石圈根具有高的氧逸度、水含量和氧同位素，因此其代表早期特提斯洋俯冲阶段地幔强烈交代之后的产物（图2a）。弧岩浆首先交代深部岩石圈根，剩余少量熔体上升并交代浅部岩石圈，所以浅部岩石圈难熔的性质（主量和δ¹⁸O）没有被显著改变，仅仅微量、水含量和氧逸度被改造。相反，深部岩石圈根所有成分（包括主量和δ¹⁸O）都已经被改造（图2b）。
        （4）地球物理发现减薄的岩石圈之下存在未完全拆离的根（图1c），这与前人数值模拟结论一致，即克拉通拆沉是底部致密的根沿着岩石圈中部不连续面（MLD）从边缘向内部逐渐剥离的，所以现今岩石圈-软流圈边界（LAB）应该对应始新世的MLD。岩浆源区深度和现今LAB深度的关系表明大理钾质岩来源于浅部低密度岩石圈，而盐源钾质岩来源于深部高密度岩石圈根（图2b）。因此，密度差异是克拉通去根的主要原因，氧逸度和水含量是次要原因，因为浅部和深部地幔都在俯冲阶段被氧化和水化了。

图2.（a）古生代以来多个特提斯洋的俯冲改造了西南扬子克拉通根；（b）始新世克拉通下部致密的根自西向东拆沉（依据图1和压力计结果成图）。

        （5）由于热胀冷缩效应，在弧火山存在的高地温梯度地区，低Fo的岩石圈根相对于软流圈仍具有正浮力。当岩浆停止和构造增厚（如陆陆碰撞和平板俯冲）导致岩石圈降温时，热致密化可以诱发成分致密的岩石圈根拆沉。因此，印度-亚洲碰撞导致的热致密化诱发了早期俯冲阶段成分致密的西南扬子克拉通根拆沉，而克拉通内部（四川盆地）的岩石圈成分没有受到早期俯冲改造，所以现今仍然保持稳定。减薄的扬子克拉通边缘相对内部具有显著高的地形（图1c），这种地表隆升也表明高密度根的拆沉。另外，华北和怀俄明克拉通破坏虽然是发生在俯冲阶段，但主要是太平洋平板俯冲之后。因此，平板俯冲和陆陆碰撞诱发克拉通去根的本质可能都与热致密化相关，当然早期成分致密化是去根的前提。
        因此，依据碰撞环境克拉通拆沉的视角，本次研究认为成分和热致密化是克拉通根拆沉的主要因素。相关研究成果已经发表在国际地学著名刊物《Geology》上，该研究受第二次青藏科考和国家自然科学基金项目的联合资助。
        论文信息：Wang Jun (王军), Wang Qiang* (王强), Xu Chuan-Bing (许传兵), Dan Wei* (但卫), Xiao Zhuo (肖卓), Shu Chutian (舒楚天), Wei Gangjian (韦刚健), 2022. Cenozoic delamination of the southwestern Yangtze craton owing to densification during subduction and collision. Geology. https://doi.org/10.1130/G49732.1

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