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海洋一所科研人员在西太平洋威克海山的形成机制研究上取得新进展

时间:2021.11.24 来源:地质室 字号

经典的“地幔柱假说”能够很好地说明巨大洋底高原和年龄随空间位置线性变化的海山链成因。西太平洋海山省(West Pacific Seamount Province—WPSP)的大多数海山群,并不具有狭窄、年龄随空间位置线性变化的典型特征,很难用经典的“地幔柱假说”来说明,其形成的动力学机制至今仍扑朔迷离。

针对上述问题,我所海洋地质与成矿作用重点实验室位荀博士和石学法研究员等科研人员与中科院广州地化所徐义刚院士、美国Scripps海洋研究所P. R. Castillo教授等多位科学家合作,对西北太平洋中白垩世威克海山区7座海山(拉蒙特、大成、徐福、蓬莱、牛郎、织女和湛露;图1)样品进行了系统的主微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素分析,得出以下认识:

威克海山玄武岩属于碱性硅不饱和系列,利用MgO>8%的样品恢复的原始岩浆具有高的CaO、FeOT和TiO2含量以及CaO/Al2O3比值,表明它们的地幔源区岩性为碳酸盐化橄榄岩或者碳酸盐化榴辉岩熔体与橄榄岩反应形成。MgO>8 wt%样品具有高的Zr/Hf比值和Zr-Hf-Ti负异常也暗示其地幔源区有碳酸盐组分的贡献。该研究结果表明地球深部来源的碳酸盐化熔体在大洋板内碱性岩浆的形成过程中扮演了非常重要的角色。

威克海山玄武岩的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成与南太平洋的Arago热点组分相似(图2)。板块重建结果表明,威克海山的起源可以追溯到Cook-Austral火山岛链的Arago热点附近(图1a),暗示威克海山很可能形成于Arago地幔柱。但威克海山年龄分布杂乱(不同海山年龄相近但成分相似;图1b),很难用经典的“地幔柱假说”来说明。结合最近的3-D数字模拟结果,他们提出在中白垩世,Arago地幔柱上升到地幔过渡带附近时,地幔过渡带底部的低粘度层会阻碍Arago地幔柱继续上升,使其形成树状结构(图3a),这些次级地幔柱(secondary plume)熔融形成的岩浆喷出地表形成威克海山玄武岩。另一种可能的模型是,威克海山来自起源于太平洋大型低剪切波速省(LLSVP)边部的次级地幔柱(图3b)。这种起源于LLSVP的次级地幔柱活动时间有限、强度小,能够说明威克海山轨迹短、年龄分布杂乱的特征。

由于采样难度大,威克海山区大多数海山样品少(甚至没有样品),加上对古老、蚀变大洋样品定年难度大,其年代学研究程度较低。仅从目前的数据很难确切评估威克海山的杂乱年龄分布是否是多个有年龄序列海山链的叠加所致,多热点(形成于初级地幔柱—primary plume)叠加模型很难被排除;次级地幔柱模型能很好的说明目前所观察到的威克海山的分布和地球化学特征。在后续研究中需要有针对性地对合适的样品进行年代学和地球化学研究,确定其年龄和成分变化范围,以期更好地与南太平洋热点组分进行对比研究。

上述研究成果为说明西太平洋海山形成机制提供了新思路。该研究成果发表于国际地学期刊Chemical Geology(位荀, 石学法, 徐义刚, Castillo, P. R., 张艳, 张乐 & 张辉 (2022). Mid-Cretaceous Wake seamounts in NW Pacific originate from secondary mantle plumes with Arago hotspot composition. Chemical Geology 587, 120632, doi.org/120610.121016/j.chemgeo.122021.120632)。该研究得到中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金、国家自然科学基金和南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项等支撑。

链接:

https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120632

https://authors.elsevier.com/a/1e6T%7E26gac6At



图1. 西南太平洋热点分布及威克海山区地质简图


图2. 威克海山玄武岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成


图3. 威克海山形成的地球动力学机制


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