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IODP 349航次最新成果:揭示南海扩张期地幔本质及扩张过程

 

       日前,国际知名地学刊物《Earth and Planetary Science Letters》在线报导了国际大洋发现计划(IODP)349航次关于扩张期洋壳组成的成果。该研究由中科院海洋研究所张国良研究员领导的研究小组完成,首次揭示了南海地幔具有印度洋型特性,且南海的东、西两个次海盆具有明显不同的地幔性质,论文阐明这种特性是来自海南地幔柱和大陆裂解过程中的地壳混入双重作用的结果,研究认为海南地幔柱对南海的打开具有重要推动作用。

       南海是西太平洋最大的边缘海盆,形成于欧亚大陆裂解形成的洋盆。南海位于欧亚大陆、太平洋和印度洋三大板块的交界处(图1),使得南海形成的原因极具争议。由于南海位于三大板块的交汇区,关于南海下部具有太平洋型、还是印度洋型地幔,一直是地球科学界的重要科学问题。无论是南海打开的动力学过程、还是南海下部地幔组成,最可能在南海扩张期洋壳(玄武岩)中得到忠实的记录。然而,新生代以来,南海被上千米的巨厚沉积层所覆盖,长期以来南海扩张期洋壳样本无法获得。2014年,IODP 349航次首次钻透沉积层,历史性的首次获得了南海扩张期洋壳玄武岩。

   

图1. 南海构造背景图及IODP 349航次钻探(站位:U1431,U1433和U1434)位置

 

       本次张国良研究员团队的研究,获得了南海两个海盆钻孔玄武岩岩芯的主、微量元素和Sr-Nd-Pb-Hf同位素数据,发现西南次海盆和东部次海盆具有明显的差异。西南次海盆扩张期玄武岩都具有富集型洋中脊玄武岩特征(E-MORB),而东部次海盆同时存在富集型(E-MORB)和亏损型玄武岩(N-MORB)(图2)。尤其是,在Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成上,两个次海盆都属于印度洋型地幔(地球化学上称为 Dupal 异常),且次海盆之间存在明显差异。这表明南海的两个次海盆之间具有不同的地幔演化历史。

 

图2. IODP 349航次钻探获得洋壳玄武岩的微量元素组成

 

      为了揭示南海为何存在印度洋型地幔,以及为何两个次海盆之间存在不同的地幔演化历史,张国良研究员团队模拟了海南地幔柱和大陆下地壳对亏损上地幔组成的影响(图3)。结果发现,东部次海盆玄武岩同位素组成需要混入海南地幔柱组分达40%,这很好地反映了海南地幔柱组分与太平洋型亏损地幔之间的混合关系;而西南次海盆地幔组成(如亏损Pb同位素的特征),很好地反映了南海张裂过程中有大陆下地壳的混入。南海张裂过程中混入的海南地幔柱和大陆下地壳都有Dupal异常的特征,这正是南海存在印度洋型地幔的原因。以此为据,本次研究提出了一个南海初始裂解过程的模型:新生的海南地幔柱在南海打开过程中可能起到了助推作用,海南地幔柱不仅混染了南海下部的亏损地幔,而且可能促进了大陆下地壳有效混入软流圈。本次研究对于认识南海张裂过程和原因具有重要意义,对于认识印度洋型地幔的本质和成因也有重要推动作用。

图3. IODP 349航次钻探获得洋壳玄武岩的同位素组成。其中,西南次海盆(U1433,U1434)和东部次海盆(U1431)存在明显的组成差异,且都体现为印度洋型地幔源区组成

 

       IODP 349航次是新十年IODP的首个航次,航次的实施得到国家科技部的大力支持,提供匹配资金,大大增加了中国科学家上船人数。该航次由中国科学家设计、领导,经过两个多月的海上钻探,在南海水深3000~4000余米的海域钻探5个站位,首次获得了南海深海盆的沉积岩和大洋玄武岩岩芯,为研究南海及周边地区构造演化提供了宝贵材料。

 

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