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NC: 内部垂向力驱动西太平洋快速的俯冲起始和岩浆活动
2020-09-26 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  板块构造不仅塑造了地球的地表形态,还促进了地球外部与内部之间物质和能量的转换。目前,学术界对板块构造何时启动的看法仍然存在很大争议,但一般都认为板块俯冲是驱动板块构造的重要力源(例如,陈凌等,2020)。 然而,新俯冲带如何起始一直是地球科学领域的难点问题,主要原因是俯冲起始是一个极其短暂的过程,缺少直接的地质记录,并且现今地球上鲜有正在发生的俯冲起始(Stern and Gerya, 2018)。 

  西太平洋Izu-Bonin-MariannaIBM)俯冲带保存有最完整的俯冲起始的岩浆记录(图1),是研究俯冲如何起始的绝佳场所。在这个地区开展的拖网和深潜采样研究显示,俯冲起始最早的产物是一套弧前玄武岩(FAB,类似于洋中脊处产出的玄武岩)。随后是一套玻安岩,这种熔岩,特别是高硅玻安岩,一般认为是由于俯冲板块脱水引起浅部的亏损地幔发生熔融而形成。因此,部分学者认为玻安岩是标志着俯冲起始的直接地质证据(Arculus et al., 2015),但也有学者认为这种熔岩不能代表俯冲起始,仅代表俯冲过程中某个阶段的产物(吴福元等,2018)。正常俯冲建立之后,弧岩浆由玻安岩转变为正常的拉斑到钙碱性岩浆(Ishizuka et al., 2011)。最近,国际大洋钻探计划(ODP352航次在IBM弧前的一个区块开展了钻探,对连续取芯的岩样开展高精度测年的结果显示,FAB岩浆作用的持续时间仅为0.6-1.2 Myr。这与沿着整个IBM弧利用拖网获取的FAB具有类似的年龄,表明IBM俯冲起始是一个单一的快速事件。 

  为了解释IBM弧前玄武岩-玻安岩序列的形成机制,最近,英国帝国理工学院的B. Maunder及合作者开展系统的二维动力学数值模拟实验,通过对比分别由板块内部垂向作用力(板块自身重力)和远场水平推力主导的俯冲起始,发现前者能很好的解释IBM弧前和弧后岩浆序列的时空分布,而后者则无法形成弧前玄武岩。据此,他们提出IBM俯冲起始及岩浆活动是由板块内部的垂向力(由局部密度异常引起)而非远场水平挤压力导致,相关成果发表于Nature Communications 

1 Izu-Bonin-Marianna俯冲带研究区域的水深图和俯冲起始的概念模型(Maunder et al.2020)。黑色实线为洋壳年龄等值线(Ma),右上角插图显示了352航次的采样地点,黑色点线标示的为残留扩张中心,黑色虚线标示的为九州-帕劳海岭。

  作者设计的初始模型为一个年龄为50 Ma 的太平洋板块与一个年龄为5 Ma的菲律宾板块水平相接,二者之间由一个宽为10 km的薄弱带(转换断层)相连(图1b)。这样的初始设计使得年轻的菲律宾板块自发向东推挤古老的太平洋板块,该内部推力的大小约为2 TN/m。为了让模型开始运行时水平方向的力保持平衡,作者在太平洋板块的远端施加了一个向西的外部力。在内部垂向力主导(净水平推力为0)的模型中(图2a-2d),作者发现仅需一个小的垂向拉力(由局部密度异常产生,大小约为9 TN/m,远小于典型俯冲板块向下的拖拽力~30 TN/m)就能导致俯冲快速起始,最终形成末端向下的完整俯冲。在此过程中,太平洋板块下沉进入地幔,在转换断层的下方形成了一个岩石圈“间隙”,软流圈由此上涌发生减压熔融,形成弧前玄武岩(图2a、图2b)。随着太平洋板块的不断下沉,俯冲洋壳的前端越过固相线开始熔融并发生脱水,流体上升使得上方亏损的地幔发生水化熔融,形成玻安岩(图2c)。作者发现在此机制下弧前玄武岩与玻安岩初始喷发的时间间隔相差仅0.6 Myr(图3),与钻探取芯的数据近乎一致。随着俯冲起始的进一步发展,俯冲板片开始沿着自身长度持续俯冲,软流圈物质停止流向弧前下方的间隙,减压熔融流向未来的弧后地区,形成一个地幔楔(图2d)。新板片水化地幔楔,岛弧上将出现典型的钙碱性岩浆作用。在外部水平推力主导的模型中(图2e-h),没有形成初始阶段的岩石圈“间隙”,也没有软流圈的上涌和减压熔融发生,因此没有形成弧前玄武岩,并且此条件下俯冲起始的时间较长,约5 Myr。这种俯冲起始可能发生在新西兰南部的普伊斯哥海岭或西南太平洋的马修-亨特俯冲带。 

2 数值模型结果以及岩浆产生率(Maunder et al.2020)。上方为内部垂向力主导的俯冲起始,下方为水平推力主导的俯冲起始。图中黑色圈代表熔融区域。

3 内部垂向力主导的模型中岩浆产量的时间线(Maunder et al.2020

  作者的结果表明在内部垂向力主导的俯冲起始中,地表喷发的岩浆具有迁移的特点(图3): 弧前玄武岩初始形成后逐渐向靠近海沟的方向迁移,而后续新板片熔融产生的玻安岩也同样向俯冲板片的方向移动,紧跟在弧前玄武岩的后方。模型预测的岩浆分布特点为IBM俯冲带岩浆记录的一些特征提供了解释,例如部分钻井数据显示靠近海沟的位置只检测出弧前玄武岩,而离弧前约30km的位置只检测出玻安质岩浆(Reagan et al., 2017)。 

  Maunder的模型为在IBM俯冲带发现的弧前玄武岩-玻安岩序列提供了一个合理的解释。由于弧前扩张和弧前玄武岩仅在内部垂向力主导的模型中产生,作者指出弧前玄武岩的存在可作为判别这类俯冲起始的标志。在特提斯蛇绿岩套中发现有类似弧前玄武岩的岩石,可能预示特提斯的俯冲起始也是由类似的内部垂向力所主导。值得注意的是: 最近Crameri et al.2020)的研究表明在过去1亿年中,大部分俯冲起始都是由外部水平推力主导,且靠近先存的俯冲带。可见: 到底是板块内部垂向力还是外部水平推力起主导俯冲起始不可一概而论,需要结合地质、地球化学等多学科观测数据,进一步开展高分辨率(时间和空间)的动力模拟研究。    

  【致谢: 感谢岩石圈室陈凌万博研究员对本文提出的建设性意见。】    

  主要参考文献 

  陈凌, 王旭, 梁晓峰, . 俯冲构造 vs. 地幔柱构造——板块运动驱动力探讨[J].中国科学: 地球科学, 50(4): 501-514. 

  吴福元, 王建刚, 刘传周, . 大洋岛弧的前世今生[J]. 岩石学报, 2019, 35(1): 1-15. 

  Arculus R J, Ishizuka O, Bogus K A, et al. A record of spontaneous subduction initiation in the Izu-Bonin-Mariana arc [J]. Nature Geoscience, 2015, 8(9): 728-733. 

  Crameri F, Magni V, Domeier M, et al. A transdisciplinary and community-driven database to unravel subduction zone initiation [J]. Nature Communications, 2020, 11: 3750. 

  Ishizuka O, Tani K, Reagan M K, et al. The timescales of subduction initiation and subsequent evolution of an oceanic island arc [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 306: 229-240. 

  Maunder B, Prytulak J, Goes S, et al. Rapid subduction initiation and magmatism in the Western Pacific driven by internal vertical forces [J]. Nature Communications, 2020, 11: 1874. 

  Reagan M K, Pearce J A, Petronotis k, et al. Subduction initiation and ophiolite crust: new insights from IODP drilling [J]. International Geology Review, 2017, 59, 1439-1450. 

  Stern R J, Gerya T. Subduction initiation in nature and models: A review [J]. Tectonophysics, 2018, 746: 173-198. 

  (撰稿: 唐嘉萱,陈林/岩石圈室)

 
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