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科学研究

王于健:通过地壳厚度和锆石Hf-O同位素定量厘定地壳生长——以中亚造山带南部东天山地区为例【GSA Bulletin,2022】
2022-04-28 阅读:5423

地壳生长通常是指大陆地壳的净增长(大洋地壳在洋中脊的生长基本被俯冲带的消亡相抵消)。然而对于地壳生长问题一直是地学领域研究的热点和难点,主要是由于陆壳岩浆的来源复杂,包括幔源新生岩浆、新老地壳再循环、以及两者不同程度的混合。在漫长的地质历史中,随着陆壳逐渐趋于成熟,不同年龄的陆壳以不同程度影响着岩浆的形成与演化,因此显生宙时期地壳的生长问题变得尤为复杂。增生型造山带记录复杂的板块俯冲-拼贴-汇聚过程,并且通常伴随着强烈的岩浆活动,是构成地壳生长的主要构造单元。中亚造山带是典型的显生宙增生型造山带,对于该造山带的新生地壳的占比问题一直争议不断,有的学者认为新生地壳的体积占比高达64%,而有的学者则认为新生地壳的体积占比仅20%左右。导致这一问题的主要原因包括 (1) 高估幔源初始岩浆的比例:因为新生地壳重熔产生的岩浆的同位素特征与幔源岩浆一致; (2)无法准确估算地壳的体积:以往的学者通过假设固定的地壳厚度和区域或岩体表面积来确定体积,往往导致较大的误差。

针对上述科学问题,金沙最新登录入口-【金沙游艺场】“金属同位素与壳幔物质循环”求真研究群体刘金高教授团队王于健副教授与合作者朱弟成教授、林成发博士,以及中国科学院地质与地球物理研究所胡方泱副研究员,以中亚造山带南部的东天山地区为研究区,分为北中南三条东西向研究带 (图1),分别对每条研究带内已发表的岩浆岩岩石学、地球化学(尤其是锆石Hf同位素)特征开展对比分析,并通过岩浆岩的Sr/Y及(La/Yb)N-比值计算不同地质年代地壳厚度的变化(图2,以南带为例),厘定每条研究带的构造属性及演化过程、壳幔岩浆相互作用估算幔源岩浆所占的比例,结合地壳厚度的变化及新生地壳表面积,从而可以确定新生地壳的体积占比。该研究取得的主要认识如下:

(1)   通过地壳厚度变化和岩石学、同位素地球化学特征相结合的创新方法查明三条研究带的构造属性:北带属于岛弧增生及未发育的弧间盆地,中带属于被动陆缘弧,南带则代表具有古老基底的大陆弧(3)

(2)   厘清三个构造单元的构造演化过程:北天山洋发生双向俯冲,形成北带和中带;而位于南侧的南天山洋发生北向俯冲至中天山地块下方,形成南带。两个大洋均在晚石炭世(310 Ma)同时闭合(3)

(3)   通过锆石Hf-O同位素的分布形态,识别不同时期岩浆中幔源岩浆、新老地壳再循环等多源岩浆所占的比例,厘定新生地壳的主要生长期发生在同碰撞时期;

(4)   结合同碰撞时期的地壳增厚程度以及同期岩浆岩的表面积估算同碰撞时期的地壳体积,结合同期岩浆中幔源岩浆所占的比例,从而准确计算新生地壳的体积比(14-22%)

该研究的主要亮点是通过地壳厚度变化与岩浆岩锆石Hf-O同位素相结合的创新方法分析了复杂板块的构造属性及动态演化过程,并利用岩浆岩同位素特征随时间演化的分布形态,识别出以往常常被忽视的幔源岩浆及新生地壳再循环的信号,结合地壳厚度的动态变化和同期岩浆岩的表面积准确估算地壳体积的变化,从而定量计算出新生地壳的体积占比。本研究取得的成果不仅论证了地壳厚度及同位素相结合的创新方法的有效性,拓展了探索地壳生长问题的新维度和新思路,此外对于更深刻地理解板块构造演化、岩浆活动、壳幔相互作用,以及全球地壳生长问题提供了重要的研究思路和理论依据。



图1 A-中亚造山带地质概图;B-中国新疆地区中亚造山带南部的地质概图;C-东天山地区地质图


图2 南带地壳厚度(A)、元素(B)、同位素(C),及Hf模式年龄(D)随时间演化的相关性图解




图3 东天山地区构造演化模式图

 

上述研究成果发表在地质学国际权威刊物《GSA Bulletin》上:Yujian Wang*; Dicheng Zhu; Chengfa Lin; Fangyang Hu; Jingao Liu*; Quanfigying the growth of continental crust through crustal thickness and zircon Hf-O isotopic signatures: a case study from the southern Central Asian Orogenic Belt. GSA Bulletin, 2021, 133, doi:10.1130/B36046.1. [IF2020=4.799]

全文链接:https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/gsabulletin/article/doi/10.1130/B36046.1/610456/Quantifying-the-growth-of-continental-crust


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