玄武岩揭开南海下部地幔,海洋所首次揭示南海扩张期地幔本质

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南海是由欧亚大陆东部裂解形成的洋盆,也是西太平洋最大的边缘海盆。由于位于欧亚大陆、太平洋和印度洋三大板块交界处,南海的形成原因极具争议。关于南海下部具有太平洋型还是印度洋型地幔,一直是地球科学界探讨的重要科学问题。南海打开的动力学过程及其下部地幔组成,最可能在南海扩张期洋壳中得到记录。然而,新生代以来,南海被上千米的巨厚沉积层所覆盖,扩张期洋壳样本无法获得。

自古以来,沧海桑田变化的原因始终是人类不断探索的问题。科学家已经认识到南海是由于大陆裂解后形成的深水盆地。但是,南海盆地以下是什么组成的?欧亚大陆为何裂解?南海海盆为何打开?这些问题一直悬而未解。中国科学院海洋研究所3月10日发布消息称,3月9日,国际地学刊物《地球与行星科学学报》在线发表的中国科学院海洋研究所张国良研究员的研究成果,为解开这些谜团打开了一扇窗。

澳门新葡萄京997755 ,2014年,中国科学院海洋研究所研究员张国良参加的“国际大洋发现计划”(IODP_349航次)首次钻透南海沉积层,获得了南海扩张期洋壳玄武岩。近期,由张国良团队主导的一项研究获得了南海2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具有富集型洋中脊玄武岩特征,而东部次海盆同时存在富集型和亏损型玄武岩。在Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成上,2个次海盆都属于印度洋型地幔(地球化学上称为“Dupal异常”),且存在明显的组成差异。这说明,南海的2个次海盆之间具有不同的地幔演化历史。

南海底部有一层上千米厚的沉积层,长期以来,南海的基底始终不为人知。就像脸盆中有一层沙子,如果不拨开沙子,无法知道盆底的材料是什么。国际大洋发现计划349航次利用大洋钻探船,首次在南海钻透了沉积层,获得了海盆的“硬底”——玄武岩。这些玄武岩是南海海底扩张时期由于火山作用形成,携带了关于南海下部地幔组成的重要信息。

为揭示南海存在印度洋型地幔,以及2个次海盆之间存在不同的地幔演化历史的原因,张国良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。研究发现,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),反映了南海张裂过程中有大陆下地壳的混入。该研究认为,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,是南海存在印度洋型地幔的原因。据此,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。该研究有助于认识南海张裂过程和原因,以及印度洋型地幔的本质和成因。

科学家认为我国海南岛下部可能存在一个超深来源的“热柱”,被称为地幔柱。这个地幔柱具有异常高的温度和特殊的化学组成,如果它出现在大陆下部,可能会将大陆“拱”裂,并改变原来地幔的化学组成。如果海南下部真的存在这样一个“热柱”,有没有可能影响到南海打开过程,以及南海下部的地幔组成?这些问题从南海玄武岩中得到了答案。

相关研究成果发表在Earth and Planetary Science
Letters
上。该研究得到了国家优秀青年科学基金、青岛海洋科学与技术国家实验室“鳌山人才”计划项目的资助。

通过研究南海玄武岩的化学组成,张国良研究团队认为,南海东、西两部分的下部地幔组成差异很大,而且在同位素组成上都属于印度洋型地幔。南海东部的地幔含有“热柱”组分达40%,而南海西部的地幔含有大陆地壳组分。研究组据此提出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,海南地幔柱不仅混入到南海下部的地幔,而且可能曾“烘烤”着大陆,并将大陆地壳卷入到南海的地幔中。

论文链接

(原载于《科技日报》 2018-03-11 01版)

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