科学研究

陈艳虹:从Fe同位素角度看弧后盆地演化:来自马里亚纳海槽玄武岩的信息【EPSL,2021】
2021-10-19 阅读:19002

尚处裂谷状态弧后盆地的玄武岩(BABB)具有与岛弧玄武岩(IAB)相似的特征,富集大离子亲石元素(LILE),亏损高场强元素(HFSE);而成熟弧后盆地的玄武岩则与大洋中脊玄武岩(MORB)特征相似,不富集或稍微富集LILE,不亏损或稍亏损HFSE。这个现象反映了弧后盆地从初始的裂谷阶段到成熟的扩张中心这个过程中,BABB的源区成分从与岛弧相似过渡到与洋中脊相似。弧后盆地的形成和演化是俯冲板片后撤、上覆板片扩张的被动响应。北马里亚纳海槽玄武岩的成分从北边裂谷的与IAB相似,逐渐过渡到南边成熟扩张中心的与MORB相似。这些表明北马里亚纳海槽是弧后盆地演化的一个典型例子,具有全球意义。为了验证这个模型,并将这个模型更好的应用到全球的其他弧后盆地中,我们需要更全面地研究北马里亚纳海槽的构造岩浆过程。

针对上述科学问题,海洋学院青年教师陈艳虹在其博士导师牛耀龄教授的指导下,对采自北马里亚纳海槽北纬17°23°扩张轴的玄武岩玻璃(图1)系统地进行了主微量、Sr-Nd-Pb-Hf放射性同位素以及Fe稳定同位素分析测试,为北马里亚纳海槽的演化提供了新的信息。取得了以下主要认识:

1)北马里亚纳海槽玄武岩的Fe同位素随着纬度规律变化,从北到南,其δ56Fe的值从0.00‰逐渐增加至与MORB相似的+0.12‰。现代的岩浆作用包括地幔部分熔融以及岩浆结晶分异作用都不能解释这个变化,结合其他同位素(图2)及微量元素成分变化,指示玄武岩源区组分的不均一导致了北马里亚纳海槽玄武岩的成分变化,这些组分包括:俯冲板片、弧下岩石圈地幔和软流圈地幔。

2Fe同位素的成分主要受控于弧下岩石圈地幔和软流圈地幔。弧下岩石圈地幔由于受到早期的熔融作用(在裂谷阶段之前),其非常亏损难熔,导致其具有较轻的Fe同位素组成。北马里亚纳海槽从北到南,随着软流圈的上涌,弧下岩石圈地幔不断减薄,其对BABB的贡献逐渐变小,随着弧后盆地的不断扩张,在南部成熟扩张中心,软流圈贡献占据主导地位(图3)。

3)弧后扩张中心是在弧岩石圈的基础上发育而来,虽然弧岩石圈的演化历史目前还不清楚,但其成分一定是亏损的,并且密度要较周围要小。

图1 马里亚纳海槽的海底地形图及采样位置


图2 北马里亚纳海槽玄武岩Sr-Nd-Pb-Hf-Fe同位素随纬度变化



图3 北马里亚纳海槽Fe同位素变化成因模式图


该研究从Fe同位素这个角度,重新探讨了北马里亚纳海槽弧后盆地的演化过程,为研究全球弧后盆地的形成与发展奠定了基础。

上述研究成果发表在地球科学国际权威刊物《Earth and Planetary Science Letters》,文章信息如下:Chen, Y.H.*, Niu, Y.L.*, Xue, Q.Q., Gao, Y.J., Castillo, P. 2021. An iron isotope perspective on back-arc basin development: Messages from Mariana Trough basins. Earth and Planetary Science Letters 572, 117133. [IF2020 = 5.255]

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117133