作者:朱汉斌 来源:中国科学报 发布时间:2022/10/25 18:40:12
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新研究揭示造山带地壳热演化机制

 

“将今论古”是研究复杂地质过程的重要手段。近日,中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心张修政副研究员、王强研究员等利用青藏高原第四纪超高温(>1100℃)变质作用揭示造山带地壳热演化机制。相关研究发表于Geology。

热能够促进地壳发生熔融分异、元素迁移,并且能控制线性造山带向平坦高原演化,但导致大陆地壳增温的动力学机制仍存在激烈争论。近年来,随着超高温变质作用(温度 > 900 °C,压力 = 0.7–1.3 Gpa)记录的不断被发现,人们认识到大陆地壳在演化过程中可以达到极端的地温梯度。因此,超高温变质记录被认为是解开地壳热演化机制之谜的钥匙。

同样作为极端条件下的变质作用(超高压/超高温),现代的俯冲/碰撞带给超高压变质研究提供了明确的构造背景和地球物理支持,而超高温的研究则一直缺少这种契机。目前已识别出的绝大部分超高温变质作用的时代都集中在前寒武纪,长期的退变和改造不可避免地带来一定程度的不确定性,从而引发争议。

针对上述问题,研究人员在青藏高原中部双湖地堑北段的东月湖地区发现了第四纪的超高温记录,其保存在一套特殊的英安质熔岩中,由超高温熔体、大量超高温泥质麻粒岩包体、转熔矿物,以及少量基性麻粒岩组成。其变质和熔融时代均集中在2.3 Ma(第四纪),峰期温度为1100–1150 ℃,压力为0.8–0.9 Gpa,代表了目前世界上发现的最年轻的造山带超高温变质/熔融事件。

该发现为超高温的研究带来很多全新的认识:一是,提供了明确的构造背景,首次证实了碰撞造山带可以在地壳加厚之后极短的时间(20–40 m.y.)演化出超高温条件,远低于前人理论预测(~120 m.y.);二是,超高温熔融发生在极端贫水甚至无水的条件,其形成的英安质熔岩为熔体和源区残留物的混合物,总体地球化学特类似于A型花岗岩,且该第四纪A型英安质熔岩靠近晚新生代活动的双湖地堑,暗示其形成于伸展的背景中;三是,超高温岩浆具有极高的放射性元素(Th,U和K)含量和产热率(Arad = 5.33–5.99 μW m–3),因此超高温地壳熔融和相关岩浆作用会导致深部源区放射性元素的迁移。

结合青藏高原实际演化过程以及大量地球物理资料,研究人员还对东月湖超高温变质熔融作用进行了热力学模拟。结果表明,对于具有增厚地壳的碰撞造山带环境,岩石圈拆沉或减薄引发的地幔热传导过程并不能导致超高温的形成,其仅具有一定的促进作用。控制超高温产生的决定性因素在于地壳的组成和结构,即地壳中放射性生热层的厚度。青藏高原的下地壳可能偏长英质或存在较多变沉积物(放射性元素含量高)而非传统认为的由镁铁质岩石(无放射性)组成,导致其70 km的地壳中具有巨厚放射性生热层(≥ 60 km)。

据悉,这种地壳结构能够仅依靠正常地壳岩石(Arad = ~2.5 μW m–3)放射性衰变热量的积累而快速达到高温-超高温的条件,从而引发广泛的地壳熔融和地壳流动,使造山带扩展为浅表平坦、宽广的高原(如青藏高原)。反之,具有较厚镁铁质下地壳的碰撞带则会形成冷的、线性造山带(如阿尔卑斯)。

该研究结果能够很好的解释地质历史时期,相似的陆-陆碰撞过程,迥异的变质、熔融、以及热演化历史。

上述研究研究得到了国家自然科学基金和青藏高原第二次科考项目的联合资助。

相关论文信息:https://doi.org/10.1130/G50387.1

 
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