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GRL:西藏普兰蛇绿岩中“石榴石”二辉橄榄岩 ——深部大洋岩石圈地幔剥露证据
2020-01-17      
  经典的蛇绿岩成因模型认为,蛇绿岩代表了形成于不同扩张速率洋脊的古大洋岩石圈残片,其地幔单元岩石主要为来源于浅部(15~20 km)大洋岩石圈地幔的斜长石/尖晶石相橄榄岩。然而,近十几年来,学者们从全球多个地区(中国西藏、俄罗斯极地乌拉尔等)的蛇绿岩地幔橄榄岩/铬铁矿中陆续发现了金刚石等不寻常矿物组合,极大地挑战了传统的蛇绿岩成因模型以及现今大洋岩石圈的认知。因此,厘定这些含金刚石型蛇绿岩地幔橄榄岩的成因对于丰富蛇绿岩成因认识、建立现今大洋岩石圈的类比模型、约束“蛇绿岩型”金刚石的成因具有重要意义。 
  中科院2020欧洲杯比赛用球、青藏高原地球科学卓越创新中心史仁灯研究员及其合作者龚小晗博士(现为中国地质大学(北京)博士后)、中国地质大学(北京)许继峰教授等,以西藏普兰蛇绿岩中含辉石-尖晶石后成合晶体的二辉橄榄岩为研究对象,通过系统的岩石学、矿物学与地球化学工作,首次证实这些二辉橄榄岩由早期石榴石相橄榄岩转变而来。
图1:(a-d) 西藏普兰二辉橄榄岩中的辉石-尖晶石后成合晶体。(e-f) 后成合晶体与寄主橄榄岩中的辉石稀土元素特征,相较于寄主橄榄岩中的辉石颗粒,部分后成合晶体中的辉石表现出更高的重稀土含量和更显著的中稀土与重稀土之间的分异,较好的保留了早期地幔熔融残留相石榴石的微量元素特征。
  这些二辉橄榄岩整体具有相对饱满的全岩与矿物成分,矿物微量元素模拟计算表明,它们经历了两阶段的部分熔融,即早期低程度的(4~6%)石榴石橄榄岩稳定区熔融与随后同等程度的尖晶石橄榄岩稳定区熔融。进一步的矿物学分析表明,尽管后成合晶体中的矿物颗粒与寄主橄榄岩中的矿物具有相一致的主量元素成分,但在矿物微量成分上,相较于寄主岩石中的辉石,少量后成合晶体中的辉石颗粒表现出更高的重稀土含量以及更显著的中稀土与重稀土之间的分异(图1),与典型的地幔熔融残留相石榴石的成分特点极为相似。本研究尝试利用后成合晶体中的矿物成分重建了“原始”矿物的化学成分,结果显示:重建的矿物具有与地幔熔融残留相石榴石极为一致的主、微量元素成分。这些证据一致表明普兰二辉橄榄岩为早期石榴石相橄榄岩的退变产物。 
  P-T计算表明,这些早期石榴石相橄榄岩形成/稳定的压力约在2.5~2.8 GPa, 对应的地幔深度约为85~100 km(图2),这个深度比传统认为蛇绿岩地幔橄榄岩形成深度(15~20km)要深很多,更接近于成熟的(>60 m.y.)大洋岩石圈的底部或者洋底高原岩石圈的下部位置。结合岩石地球化学显著的不均一性以及金刚石等不寻常矿物组合,提出普兰地幔橄榄岩由不同深度的岩石圈地幔构成,包括新增生的弧前岩石圈、成熟的大洋岩石圈或洋底高原岩石圈地幔。它们在俯冲板片回撤过程中通过俯冲隧道在不同地幔深度快速向上剥露并随机混合,最终可能通过伸展拆离断层剥露至海底。 
图2:普兰二辉橄榄岩的剥露P-T轨迹(红线)。不同颜色的椭圆代表了不同的剥露阶段,红色为早期石榴石橄榄岩稳定区,深灰色为深部尖晶石橄榄岩稳定区,浅灰色为浅部尖晶石橄榄岩稳定区。
  粉色五角星及虚线代表了现今大洋俯冲带含石榴石橄榄岩的剥露轨迹。不同颜色方块代表了不同学者提出的‘蛇绿岩型’金刚石可能的形成P-T条件
  该研究有以下几点重要意义与启示:
  1)缝合带蛇绿岩往往表现出多样的洋壳成因类型,本研究首次在碰撞型造山带内的蛇绿岩中识别出代表深部大洋岩石圈地幔的“石榴石”橄榄岩,因而进一步表明蛇绿岩地幔单元岩石也可具有多样的成因与来源。
  2)目前,世界范围内可供研究大洋俯冲带内深部岩石圈地幔岩石剥露机制的案例十分稀缺,本研究为深入研究这一问题提供了新的案例和理想的窗口。
  3) 迄今为止,关于“蛇绿岩型”金刚石的成因及形成深度尚存巨大争议。本研究揭示的普兰二辉橄榄岩早先形成深度(约85~100 km)与自然成因的金刚石的最小稳定深度(约120 km)较为接近,结合普兰地幔橄榄岩成因与来源的复杂性,表明浅部上地幔来源的金刚石是可能的。
  该成果近期以题为““Garnet” lherzolites in the Purang ophiolite, Tibet: Evidence for exhumation of deep oceanic lithospheric mantle”发表在国际地学期刊 Geophysical Research Letters上。本研究得到国家自然科学基金项目(41672054, 41802046, 41972052)与“第二次青藏高原综合科学考察研究”专项(2019QZKK0801)的联合资助。
  全文链接:Gong, X. H., Shi, R. D.,* Xu, J. F.,* Huang, Q. S., Huang, X. X., & Su, B. X., 2020. “Garnet” lherzolites in the Purang ophiolite, Tibet: Evidence for exhumation of deep oceanic lithospheric mantle. Geophysical Research Letters. https://doi.org/10.1029/2019GL086101.
 
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