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Geology: Stagnant slab front within the mantle transition zone controls the formation of Cenozoic intracontinental high-Mg andesites in NE Asia
地幔过渡带中的滞留板片前缘控制东北亚新生代陆内高镁安山岩的形成

高镁安山岩在化学成分上与地壳的平均成分相似,因此高镁安山岩被认为对地球演化早期大陆地壳的形成具有重要贡献。大多数新生代高镁安山岩主要产出在现代板块俯冲带背景区,并且得到了广泛研究。与之相比,陆内高镁安山岩的成因却研究很少,对其成因争论较多,比如陆内高镁安山岩的原始岩浆是否起源于地幔?水是否参与了高镁安山岩的形成?陆内高镁安山岩形成的地球动力学背景如何?这些问题并没有得到很好的解决。


针对上述问题,吉林大学地球科学学院许文良教授及其研究团队对俄罗斯远东新生代高镁安山岩进行了详细的岩石学与地球化学研究,同时结合东北地区大地电磁测深结果(图1),探讨了新生代陆内高镁安山岩的成因及其与太平洋板块俯冲作用的联系。得出如下主要认识:


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图1.(A)中国东北和俄罗斯远东新生代火山岩分布图;(B-C)东北地区三维电阻率模式的水平切面;(D-E)东北地区三维电阻率模式的纵剖面


1. 俄罗斯远东新生代高镁安山岩形成于中新世早期(20.6-18.7Ma),与中国东北逊克新生代高镁安山岩一起,产出在地幔过渡带(约600km)滞留板片前缘,并与起源于地幔过渡带的高水含量地幔低阻体(A)相对应(图1)。

2. 在地球化学上,俄罗斯远东新生代高镁安山岩具有相对均匀的SiO2含量(54.1- 57.3wt%)和Mg#值(53-56),这些特征暗示陆内高镁安山岩的原始岩浆在上升过程中岩浆分异和地壳混染是次要的,它们的成分反映了岩浆源区性质和部分熔融程度。

3. 与岛弧原始高镁安山岩相比,俄罗斯远东新生代高镁安山岩具有低的Mg#值和CaO含量(5.8-6.6wt%)、高的(Na2O+K2O)含量(5.15-6.45wt%)和富集的Sr-Nd-Pb-Hf同位素成分(图2)。与东北新生代钾质玄武岩相比,它们具有高的SiO2和Al2O3含量、低的MgO和LREE含量以及类似的Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成,而不同于新生代钠质玄武岩(图2)。上述特征揭示陆内高镁安山岩的岩浆源区有再循环古老陆壳物质的涉入。

4. 大地电磁测深结果确定了三个起源于地幔过渡带的低阻异常体(分别为A、B、C),它们可以用不同的含水量或含水熔体以及水化地幔来解释,并且A、B、C异常分别与陆内高镁安山岩、长白山-龙岗火山钠质玄武岩和双辽钠质玄武岩相对应,显示了不同的地球化学组成(图3)。

5. 综合地球物理测深结果与高镁安山岩的地球化学研究结果,可以得出东北亚陆内新生代高镁安山岩形成于:有水参与的古老再循环沉积物部分熔融形成的熔体与上覆亏损地幔橄榄岩的反应。滞留板片前缘控制了高的水含量和高的再循环古老陆壳物质,进而控制了东北亚陆内新生代高镁安山岩的形成(图4)。


该项研究不仅揭示了太平洋俯冲滞留板片之上“流体或含水熔体”的空间分布,更为重要的是新生代陆内高镁安山岩揭示了上地幔“流-固”相互作用的过程与结果。


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图2. 东北亚陆内高镁安山岩的地球化学特征


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图3. 新生代陆内火山岩成分与相对应低阻异常A, B, C的空间变异

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图4 东北亚新生代陆内高镁安山岩形成的地球动力学模式


该项研究是国家自然科学基金重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”重点支持项目“西北太平洋从活动陆缘到沟-弧-盆体系转换的时间与机制:晚白垩世-古近纪岩浆作用记录”(项目批准号:91858211)的重要研究成果,项目负责人许文良教授为论文第一作者兼通讯作者。


论文信息:Xu Wenliang*, Chen Jiahui, Weng Aihua, Tang Jie, Wang Feng, Wang Chunguang, Guo Peng, Wang Yini, Yang Hao, Sorokin Andrey A..  Stagnant slab front within the mantle transition zone controls the formation of Cenozoic intracontinental high-Mg andesites in northeast Asia, Geology, 2020, 48.


原文链接:https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/49/1/19/590538/Stagnant-slab-front-within-the-mantle-transition