科研进展

广州地化所:利用硼同位素识别俯冲陆壳物质再循环

  
后碰撞岩浆作用广泛分布于大陆碰撞造山带中(如, 青藏高原),被普遍认为是大陆俯冲的产物。然而,先前大洋俯冲时洋壳物质的再循环也能贡献后碰撞岩浆岩的产生。准确识别后碰撞岩浆岩中的再循环地壳组分对于理解大洋俯冲到大陆俯冲的发展以及造山带的演化具有重要意义。青藏高原南部的拉萨地块分布有大量的后碰撞超钾质岩(图1A),这些岩石的形成和印度大陆板块的俯冲以及青藏高原隆升的深部动力学过程密切相关,吸引了国内外学者广泛关注。这些超钾质岩普遍具有弧型微量元素特征和富集的放射性成因Sr-Nd-Pb同位素组成。然而,其富集地幔源区的交代介质(新特提斯洋沉积物vs. 俯冲印度陆壳)仍然存在争议。
近日,中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心郝露露副研究员、王强研究员和韦刚健研究员等人通过对拉萨地块后碰撞超钾质岩(图1B)的硼(B)同位素研究,并结合主-微量元素和Sr-Nd-Pb-O同位素数据,揭示了这些后碰撞岩浆岩起源于俯冲印度大陆地壳交代的富集地幔。研究结果取得了以下主要认识:(1)后碰撞中新世(13-11 Ma)超钾质岩具有很低的B/Nb(0.05 ~ 0.85)和δ11B(-20.5 ~ -10.3‰)值,明显不同于拉萨地块碰撞前早古新世(~64 Ma)超钾质岩(B/Nb = 0.85 ~ 1.89, δ11B = -9.0 ~ -2.5‰)以及现代弧岩石(图1C-D);相反地,这些轻B同位素组成在西安纳托利亚(Anatolia)后碰撞超钾质岩中曾有报道。(2)西安纳托利亚后碰撞超钾质岩的低δ11B被认为来自滞留大洋板片的持续脱水或是俯冲大陆地壳。拉萨地块后碰撞超钾质岩部分样品比西安纳托利亚具有更低的B/Nb,明显低于洋中脊玄武岩(MORB)值,意味着贫流体的源区(图1D)。它们的低δ11B也不是来自大洋板片沉积物熔体的贡献。沉积物熔体对弧岩浆的贡献在俯冲阶段普遍存在,然而其B含量和同位素的特征容易被流体信号掩盖。后碰撞阶段由于大洋板片的拆离,流体信号减弱,沉积物熔体的低B/Nb和重B同位素特征可以在后碰撞岩浆岩中体现,如亚美尼亚(Armenia)后碰撞岩浆岩(图1D)。(3)结合印度陆壳的轻B同位素组成,拉萨地块后碰撞超钾质岩极轻B同位素组成应来自于俯冲印度陆壳的贡献。这一结论也与Sr-Nd-Pb-O同位素数据吻合。(4)拉萨地块后碰撞岩浆作用的源区主要受控于俯冲印度大陆的影响。根据其时空分布特征和区域的构造特征,我们支持印度大陆俯冲先断离后撕裂的两阶段动力学模型(图2):25-18 Ma,俯冲印度大陆板块发生断离,引发喜马拉雅和拉萨地块南北向伸展(图2A);18-8 Ma,俯冲印度板块发生撕裂,引发拉萨地块东西向伸展(图2B);在大陆俯冲过程中,来自俯冲印度大陆具有极轻B同位素组成的物质交代拉萨地块下部地幔形成了超钾质岩的富集地幔源区。

图1 青藏高原南部拉萨地块后碰撞超钾质岩分布及其B同位素和B/Nb图解。(A)拉萨地块新生代岩浆岩的分布:1, 后碰撞富钾火山岩; 2, 后碰撞埃达质岩; 3, 林子宗火山岩; 4, 容尼多碰撞前(~64 Ma) 超钾质岩;(B)当惹雍措-许如措裂谷地区中新世(13-11 Ma)富钾火山岩分布;(C)当惹雍措-许如措超钾质岩B同位素组成和纬度关系图;(D)当惹雍措-许如措超钾质岩的B/Nb和B同位素组成图解。

图2 青藏高原南部后碰撞阶段深部动力学过程模式图
本研究为大陆俯冲对后碰撞岩浆岩极轻B同位素的贡献提供了一个很好的证据,确认了B元素和同位素在区分大洋俯冲和大陆俯冲上的应用潜力。论文的B含量和同位素数据在中国科学院广州地球化学研究所公共技术服务中心元素与同位素分析平台完成测试。
本研究成果近期发表在国际地学著名期刊Earth and Planetary Science Letters上。本项研究受到二次青藏科考、国家自然科学基金、中科院青促会、广州市基础研究计划等项目的联合资助。
论文信息:Hao, L-L. (郝露露), Wang, Q.* (王强), Kerr, A., Wei, G-J. (韦刚健), Huang, F. (黄方), Zhang, M-Y. (张妙燕), Qi, Y. (齐玥), Ma, L. (马林), Chen, X-F. (陈雪霏), Yang, Y.-N. (杨亚楠), 2022. Contribution of continental subduction to very light B isotope signatures in post-collisional magmas: evidence from southern Tibetan ultrapotassic rocks. Earth and Planetary Science Letters, 584, 117508. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117508.