李曙光:深部碳循环与大地幔楔地球动力学的联系【中国科学,2018】

高精度地震层析成像显示亚洲东部的地壳-地幔结构是由滞留在地幔过渡带(深达410−660km)的西太平洋俯冲板片和顶部东亚大陆岩石圈,以及夹于其间的楔状上地幔构成,被称为“大地幔楔”(图1)。查明该大地幔楔的形成时代对理解西太平洋俯冲板块与东亚大陆边缘的相互作用非常重要。此外,该大地幔楔的岩石圈华北部分曾是古老的巨厚(200km)岩石圈,被称为“华北克拉通”。其东部自130Ma以来被减薄,最薄处仅有约70km厚。该大地幔楔结构是何时形成和华北克拉通东部岩石圈是如何减薄是科学家们长期关注的两个重要科学问题。前人研究完全忽视了大地幔楔(主要由硅酸盐组成)被俯冲板片携带的碳酸盐改造对岩石圈减薄机制的影响,最近一项研究对此进行了深入探讨。

李曙光院士研究团队最近对中国东部中生代-新生代大陆玄武岩和环太平洋岛弧玄武岩开展的系统的镁同位素研究已经揭示了中国东部上地幔是一个巨大的再循环碳库。俯冲洋壳和它携带的沉积碳酸盐在大地幔楔底部发生熔融,所产生的熔体向上渗滤交代对流上地幔,形成了碳酸盐化的橄榄岩(图1)。根据由碳酸盐化橄榄岩部分熔融产生的最古老的碱性玄武岩的年龄,该研究论证了该大地幔楔结构形成于至今125Ma前。碳酸化橄榄岩部分熔融产生的贫硅富碳酸盐熔体自下而上作用于华北东部岩石圈地幔,可导致岩石圈底部橄榄岩碳酸盐化和部分熔融,从而使其物理性质与岩石圈下面的软流圈类似并很容易被对流软流圈地幔置换。如此,华北克拉通岩石圈被减薄并使熔体自身由贫硅强碱性熔体向富硅弱碱性熔体转化。该研究开启了深部碳循环的地球动力学效应研究新领域,为东亚大地幔楔形成时代和华北古老陆块岩石圈的减薄提供了新的约束和机制,也为强碱性霞石岩或碧玄岩岩浆如何转化为高硅碱性玄武岩浆提供了新的转化模型。

图1:华北克拉通岩石圈地幔碳酸盐化交代导致的岩石圈减薄过程卡通图

        研究相关论文题为“Formation time of the big mantle wedge beneath eastern China and a new lithospheric thinning mechanism of the North China craton—Geodynamic effects of deep recycled carbon”,发表在Science China Earth Sciences (2018年第7期)。李曙光为第一和通讯作者。

        该项研究得到国家自然科学基金项目(批准号: 41730214)和中国科学院战略性先导科技专项项目(编号: XDB18000000)资助。

        更多详情请阅原文:
Li S.G. and Wang Y., 2018. Formation time of the big mantle wedge beneath eastern China and a new lithospheric thinning mechanism of the North China craton—Geodynamic effects of deep recycled carbon. Science China Earth Sciences, 61(7): 853−868, doi.org/10.1007/s11430-017-9217-7  PDF
李曙光, 汪洋. 2018. 中国东部大地幔楔形成时代和华北克拉通岩石圈减薄新机制——深部再循环碳的地球动力学效应. 中国科学: 地球科学, 48(7): 809−824

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