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        科研進展

        廣州地化所利用青藏高原第四紀超高溫(>1100℃)變質作用揭示造山帶地殼熱演化機制

        發布時間:2022-10-21 來源:廣州地球化學研究所
        熱能夠促進地殼發生熔融分異、元素遷移,并且能控制線性造山帶向平坦高原演化,但導致大陸地殼增溫的動力學機制仍存在激烈爭論。近年來,隨著超高溫變質作用(溫度 > 900 °C,壓力 = 0.7–1.3 Gpa)記錄的不斷被發現,人們認識到大陸地殼在演化過程中可以達到極端的地溫梯度。因此,超高溫變質記錄被認為是解開地殼熱演化機制之謎的鑰匙。
        “將今論古”是研究復雜地質過程的重要手段。同樣作為極端條件下的變質作用(超高壓/超高溫),現代的俯沖/碰撞帶給超高壓變質研究提供了明確的構造背景和地球物理支持,而超高溫的研究則一直缺少這種契機。目前已識別出的絕大部分超高溫變質作用的時代都集中在前寒武紀,長期的退變和改造不可避免地帶來一定程度的不確定性,從而引發爭議。

        圖1 (A) 青藏高原新生代巖漿巖分布及熱狀態圖; (B) 藏北英安巖鋯石SIMS U-Pb定年;(C) 變質成因高氟金云母 Ar-Ar 定年
        針對上述問題,中國科學院廣州地球化學研究所同位素地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越創新中心張修政副研究員、王強研究員等在青藏高原中部雙湖地塹北段的東月湖地區發現了第四紀的超高溫記錄,其保存在一套特殊的英安質熔巖中,由超高溫熔體、大量超高溫泥質麻粒巖包體、轉熔礦物,以及少量基性麻粒巖組成。其變質和熔融時代均集中在2.3 Ma(第四紀) (圖1),峰期溫度為1100–1150 ℃,壓力為0.8–0.9 Gpa (圖2),代表了目前世界上發現的最年輕的造山帶超高溫變質/熔融事件。這一發現為超高溫的研究帶來很多全新的認識:(1)提供了明確的構造背景,首次證實了碰撞造山帶可以在地殼加厚之后極短的時間(20–40 m.y.)演化出超高溫條件,遠低于前人理論預測(~120 m.y.);(2)超高溫熔融發生在極端貧水甚至無水的條件,其形成的英安質熔巖為熔體和源區殘留物的混合物,總體地球化學特類似于A型花崗巖,且該第四紀A型英安質熔巖靠近晚新生代活動的雙湖地塹,暗示其形成于伸展的背景中;(3)超高溫巖漿具有極高的放射性元素(Th,U和K)含量和產熱率(Arad = 5.33–5.99 μW m–3),因此超高溫地殼熔融和相關巖漿作用會導致深部源區放射性元素的遷移。
        圖2 泥質超高溫麻粒巖包體的相平衡模擬結果及巖相學特征
        結合青藏高原實際演化過程以及大量地球物理資料,團隊對東月湖超高溫變質熔融作用進行了熱力學模擬。結果表明對于具有增厚地殼的碰撞造山帶環境,巖石圈拆沉或減薄引發的地幔熱傳導過程并不能導致超高溫的形成,其僅具有一定的促進作用??刂瞥邷禺a生的決定性因素在于地殼的組成和結構,即地殼中放射性生熱層的厚度(圖3)。青藏高原的下地殼可能偏長英質或存在較多變沉積物(放射性元素含量高)而非傳統認為的由鎂鐵質巖石(無放射性)組成,導致其70 km的地殼中具有巨厚放射性生熱層(≥ 60 km)。這種地殼結構能夠僅依靠正常地殼巖石(Arad = ~2.5 μW m–3)放射性衰變熱量的積累而快速達到高溫-超高溫的條件(圖3),從而引發廣泛的地殼熔融和地殼流動,使造山帶擴展為淺表平坦、寬廣的高原(如青藏高原)。反之,具有較厚鎂鐵質下地殼的碰撞帶則會形成冷的、線性造山帶(如阿爾卑斯)。這一結果能夠很好的解釋地質歷史時期,相似的陸-陸碰撞過程,迥異的變質、熔融、以及熱演化歷史。
        圖3 青藏高原第四紀超高溫變質作用的熱力學模擬
        本研究成果近期發表在地學著名期刊Geology上。本項研究受到國家自然科學基金(91855215, 41872065和42021002)和青藏高原第二次科考(2019QZKK0702)項目的聯合資助。
        論文信息:
        Zhang X.Z.(張修政), Wang Q.*(王強), Wyman D., Kerr A.C., Dan W.(但衛), Qi Y.(齊玥). 2022. Tibetan Plateau insights into >1100℃ crustal melting in the Quaternary. Geology, in press, doi: 10.1130/G50387.1.
         

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