科学研究

刘金高:地幔柱驱动岩石圈地幔的克拉通再生【Nature,2021】
2021-04-29 阅读:29930

巨厚、亏损和难熔的克拉通岩石圈地幔是地球上古老克拉通大陆长期稳定的关键因素,也是金刚石成矿的主要场所。然而,大量的证据表明克拉通岩石圈的山根经历了不同程度的破坏,致使岩石圈被不同程度地减薄。尽管如此,现今看到的大多数稳定的克拉通都已经恢复了当初太古代时期的岩石圈厚度(150-200 km),即存在可能的“克拉通再生”过程(recratonization)。前人对于克拉通破坏做了大量的机理研究,但对于克拉通再生过程及其对金刚石成矿的影响却不甚了解,识别标志亦不清楚。

针对上述克拉通演化中是否存在克拉通再生这一重大科学问题,中国地质大学(北京)科学研究院刘金高教授,联合加拿大、挪威和英国的科学家,选取加拿大北极地区(图1a)出露的金伯利岩所捕获的岩石圈地幔橄榄岩包体作为研究对象,建立了一个沿南北向跨越1200公里的岩石圈地幔的组成与年龄剖面(其中涵盖了1.27 Ga Mackenzie大火成岩省;图1)。研究结果表明,Mackenzie地幔柱不仅破坏并减薄了岩石圈地幔,为形成大火成岩省创造了通道,而且其后诱发了克拉通再生,使岩石圈厚度重新恢复到~200 km,这与该地区金伯利岩筒产出金刚石的潜在深度一致,也与现今地震波所揭示的岩石圈厚度一致(图1b)。此外,Re-Os同位素数据(图1c)表明,克拉通离地幔柱越近,则其岩石圈地幔被置换的更加彻底(比如Artemisia),反之则影响越小(比如Jericho和Diavik)。并且,位于地幔柱附近的Artemisia岩石圈地幔样品普遍具有高的重稀土元素含量,熔融模拟显示其形成受控于高压、高程度的部分熔融(图2),这与地幔柱熔融的环境吻合。

为了进一步验证克拉通再生的具体过程,作者通过地球动力学数值模拟手段,模拟地幔柱高压熔融所产生的地幔残余体如何填充位于两个克拉通之间、被减薄后的岩石圈空隙(图3)。模拟结果发现,地幔柱能够利用高压、高程度的部分熔融的残余体来重新愈合所破坏和减薄的克拉通山根,并使之重新恢复到原先的厚度,即所谓的“克拉通再生”。基于该研究成果,作者又综合分析地球上多个经典克拉通岩石圈地幔的演化历史,发现克拉通再生对于克拉通演化可能是非常普遍的过程,并且可以合理地解释为何克拉通地幔是由不同年龄与物质组成的地幔橄榄岩构成。克拉通再生不仅延长了地球古老稳定大陆的生命、保留了地球早期演化的宝贵证据,而且重塑了金刚石的成矿环境,为金刚石探矿与采矿提供了革命性的理论依据。

图1 (a) Slave克拉通地质图;(b) 地震波图(各样品点的数值代表由地温梯度所计算的岩石圈厚度);(c) 地幔橄榄岩包体Os同位素模式年龄(TRD)柱状图

图2 地幔橄榄岩包体全岩Al2O3与Yb含量关系图。地幔熔融模拟显示Artemisia地幔橄榄岩具有非常高的重稀土(Yb)含量,是高压高程度部分熔融的产物,即地幔柱熔融的残余体填充并加厚岩石圈所致


图3 地幔柱填充两个克拉通之间、被减薄后的岩石圈空隙的数值模拟图

上述成果是地球化学、地球物理和数值模拟等多学科交叉融合联合攻关和跨国合作的结晶,发表在《Nature》:Jingao Liu*, D. Graham Pearson, Lawrence Hongliang Wang, Kathy A. Mather, Bruce A. Kjarsgaard, Andrew J. Schaeffer, Gordon J. Irvine, Maya G. Kopylova & John P. Armstrong. Plume-driven recratonization of deep continental lithospheric mantle. Nature 595, 732-736 (2021)。该成果被著名地球化学家Stephen Foley教授和Craig O’Neill教授撰写亮点评论(https://www.nature.com/articles/d41586-021-01087-8)。该研究受到国家自然科学基金(41822301,41790451,41730214)、111 引智基地项目(B18048)和加拿大地调局GEM等项目的联合资助。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03395-5