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董玉等GEOLOGY---地幔流导致东北亚陆缘新生代周期性弧后伸展

发布时间:2023-01-07来源:浏览次数:

作为俯冲工厂的重要组成部分,弧后盆地是我们了解俯冲带发展和深部地幔动力学的关键。与弧后盆地形成相关的弧后伸展和/或弧后周期性伸展在板块构造体制中已经得到了很好的印证。然而,导致弧后伸展或扩张的机制却一直存在争论。对于不同俯冲带的弧后扩张或周期性弧后扩张提出了不同的成因模式,然而由于缺乏相关的地球化学、地质年代学和地球物理测深资料,使得检验这些模式很困难。

针对弧后周期性伸展或扩张形成机制这一关键科学问题,40分钟体检完整视频许文良教授研究团队选择东北亚陆缘新生代不同期次玄武岩作为研究对象(图1),通过详细的岩石地球化学研究,尤其是利用新生代玄武岩地球化学的时空变异和对构造属性敏感的元素及其比值,同时结合地球物理资料,探讨了东北亚陆缘新生代弧后周期性伸展/扩张的机制。得出主要认识:


1. 东北亚陆缘新生代玄武质岩浆作用至少可以划分6个阶段:55–50Ma34–33Ma22–21Ma11–10Ma5–2Ma <2.0Ma。本文考虑到库页弧与欧亚大陆的碰撞发生在15Ma左右,并且导致了弧后扩张的停止,本文只选择了55–50Ma34–33Ma22–21Ma11–10Ma四期钠质玄武岩作为研究对象(图1)。


2. 东北亚陆缘新生代板内型(与弧后伸展有关的)玄武岩先后经历了自西向东两次迁移:即第一次从松辽盆地中的双辽玄武岩(约51Ma)向东(约400km)至敦化地区33Ma板内玄武岩,第二次从敦化地区33Ma板内玄武岩向东至日本海约20Ma弧后盆地玄武岩(具有MORB地球化学属性),日本海为第二次弧后扩张中心(图2, 3)。


3. 东北亚陆缘新生代早期弧型玄武岩同样经历了两次向东迁移的过程,即从汪清地区(距同时代板内型双辽玄武岩约500km52Ma的弧型玄武岩向东至日本海东部奥尻岛34Ma的弱弧型玄武岩,乃至到日本北海道西南部22Ma的典型弧型玄武岩(图2, 3)。


4. 东北亚陆缘新生代盆地沉积中心经历了自西向东逐渐变新的迁移过程(图1),反映了对地幔深部过程的浅表响应。这也得到了最新深部地震各向异性资料的证实——向东深部地幔流的存在,且比地表具有更快的速度。


5. 日本北海道西南部10Ma玄武岩具有典型弧型玄武岩的地球化学属性,而东北汪清地区约11Ma板内玄武岩则表现出弱弧型的地球化学特征,并且与约52Ma的弧型玄武岩相比,具有相对低的LILE含量和相对弱的HFSE丰度以及更为亏损的Sr-Nd-Pb-Hf同位素成分。上述特征表明,前者(10Ma)起源于受俯冲流体交代地幔楔的部分熔融,且形成于岛弧环境,而后者(11Ma)则起源于早期(可能为52Ma)受俯冲流体交代地幔楔熔融后再次熔融的产物,且形成于板内环境。


6. 东北亚陆缘新生代玄武岩地球化学的时空变异(图3),揭示了向东的地幔流是导致弧后伸展(或扩张)的主导机制(图4)。板片后撤引起的地幔流应是导致第一次弧后伸展的动因(图4b),而东向地幔流则是导致第二次弧后伸展(扩张)和海沟后撤的主导机制(图4c)。库页弧与欧亚大陆的碰撞(约15Ma)导致弧后扩展的停止,进而引发了板内(中国东北约11Ma)和弧(日本北海道约10Ma)岩浆作用的发生(图4d)。


1. 东北亚陆缘新生代玄武岩和新生代早期沉积盆地分布图

2. 东北亚陆缘新生代玄武岩的地球化学


3. 东北亚陆缘新生代玄武岩的Nb/Zr Ta/Zr比值与松辽盆地的距离


4 东北亚陆缘新生代弧后扩张随时间迁移的动力学模式


该项研究得到了国家自然科学基金项目(9185821142002055)和吉林大学创新团队项目(No.2021-TD-05)的资助。本文第一作者为董玉和熊帅博士,通讯作者为王枫教授和许文良教授,参与者包括吉林大学纪政博士、中国地质科学院地质研究所李毅兵研究员、日本北海道大学Niida教授和日本横滨国立大学Yamamoto 准教授。该研究成果发表在国际权威地学期刊Geology上,论文信息如下:

Yu Dong, Shuai Xiong, Feng Wang*, Zheng Ji, Yi-Bing Li, Shinji Yamamoto, Kiyoaki Niida, Wen-Liang Xu*. 2022. Triggering of episodic back-arc extensions in the NE Asian continental margin by deep mantle flow. Geology, DOI:10.1130/G50724.1