【前沿报道】Geology:无岩浆作用的俯冲起始——阿尔卑斯造山带为何缺失岩浆弧记录?

发布时间:2018-12-03 放大 缩小

    大洋板块的俯冲被认为是板块构造的最终驱动力,它控制着大陆碰撞、弧岩浆作用等动力学过程。但大洋板块俯冲是如何起始的?这个问题是板块构造理论迄今尚未完成的一块“拼图”。回答这个问题的难点在于观测证据的缺失。比如尽管现今最老的大洋板块扩张时间已达到170百万年,科学家们迄今却还未观察到从被动到活动大陆边缘转化的确凿证据(Nikolaeva et al., 2011)。

  “俯冲起始”研究一直是地球动力学的热点和前沿,但现阶段还是依赖于一些间接的证据和动力学模拟。动力学模拟表明,由于被动大陆边缘相当稳定,不太可能产生自发的俯冲(Leng and Gunis, 2015)。有学者推算,俯冲起始的区域应当主要发生在大洋岩石圈的薄弱带,比如转换断层或者大洋拆离断层带(见Stern and Gerya, 2018综述)。特提斯俯冲带相关的蛇绿岩和Izu-Monin-Mariana(IBM)弧有可能保存了俯冲起始阶段的较好记录,其主要特征是上覆板块的伸展以及拉斑玄武质到玻安质岩浆作用。一旦俯冲被触发,由于大洋岩石圈的部分榴辉岩化(低温-超高压变质作用)及密度增加就能满足俯冲的正反馈条件,从而导致持续俯冲最终造成大洋的闭合。在俯冲过程中,俯冲的大洋地壳脱水可以导致上覆板块岩石圈的熔融,进而产生钙碱质岩浆作用(图1E、图1F)。因此(1)低温-超高压变质和(2)钙碱质岩浆作用被认为是与古俯冲有关的替代性证据。 

 

 

 

1 A-C.阿尔卑斯地区无岩浆作用的俯冲过程;D.“岩石圈地幔俯冲导致“无岩浆作用”的盆地闭合;E-F.典型的Benioff型俯冲体系演化过程(McCarthy et al., 2018 

 

    然而,并非所有的造山带都存在岩浆弧的记录,比如经典的阿尔卑斯造山带就是“magma-poor”型造山带,这也被认为是为何阿尔卑斯的研究催生了地质学,却未能诞生板块构造理论的主要原因(Trumpy, 2001)。近期英国学者Anders McCarthy及合作者发表在Geology上的论文(McCarthy et al., 2018),总结了阿尔卑斯造山带地区300百万年以来的火成岩、沉积岩和变质年代学数据,探讨了阿尔卑斯造山带缺失岩浆作用的迷因。 

    McCarthy 等人的研究表明,阿尔卑斯Piemonte-Liguria洋俯冲体系在初始时期就没有岩浆作用(图2),与东地中海、藏南、Semail、Izu-Bonin弧等典型的沟弧盆俯冲体系截然不同。无岩浆作用的最主要原因归结为俯冲板片含水矿物的低“效率”。在阿尔卑斯地区,残留的Piemonte-Liguria洋记录包括有大洋沉积物、海沟沉积物、蛇纹石、稀疏分布的辉长岩及玄武岩。然而慢速俯冲(1-2cm/yr)使得软流圈地幔的热量有足够的时间导致浅部俯冲板片脱水,最后导致俯冲的“干”岩石圈地幔没有足够的脱水“效率”引起上覆板块岩石圈的熔融,因此不能产生岩浆作用。这项研究说明,钙碱质岩浆作用并非俯冲存在的必要条件。 

 

2 俯冲初始25百万年东地中海、藏南、SemailIzu-Bonin弧及阿尔卑斯地区岩浆记录对比(McCarthy et al., 2018 

 

    此外地震学的研究表明,超高压变质作用也不是判别俯冲存在的必要条件(例如Pyrenées地区,见Zhao et al., 2017)。因此低温-超高压变质和钙碱质岩浆作用是古俯冲有关的替代性证据这一认识值得商榷,或者说只能用于判别Benioff型俯冲的存在。可以说,关于俯冲起始的判断依然是板块构造研究的前沿难题。 

 

    相关参考文献 

 

  1. Leng W, Gurnis M. Subduction initiation at relic arcs[J]. Geophysical Research Letters, 2015, 42(17): 7014-7021.原文链接 
  2. McCarthy A, Chelle-Michou C, Müntener O, et al. Subduction initiation without magmatism: The case of the missing Alpine magmatic arc[J]. Geology, 2018.DOI: 10.1130/G45366.1.(原文链接) 
  3. Nikolaeva K, Gerya T V, Marques F O. Numerical analysis of subduction initiation risk along the Atlantic American passive margins[J]. Geology, 2011, 39(5): 463-466.原文链接 
  4. Stern R J, Gerya T. Subduction initiation in nature and models: A review[J]. Tectonophysics, 2018 , 746: 173-198.原文链接 
  5. Trumpy R. Why plate tectonics was not invented in the Alps[J]. International Journal of Earth Sciences, 2001, 90(3): 477-483.原文链接 
  6. Zhao L, Xu X, Malusà M G. Seismic probing of continental subduction zones[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2017, 145: 37-45.原文链接

  (撰稿:赵亮/岩石圈室)