海洋所首次揭示西太平洋卡洛琳高原組成和成因

  近日,國際地學期刊Chemical Geology在線刊發了中科院海洋所張國良課題組最新研究成果,首次揭示了西太平洋卡洛琳脊是一個火山活動形成的洋底高原,綜合年代學和地球化學分析結果顯示,卡洛琳洋底高原和東部海山鏈系統形成于同一個來自下地幔的地幔柱。

  自近半個世紀前“地幔柱假說”提出后,常被用來解釋巨大洋底高原和一系列有年齡序列的海山鏈成因。但是,地球上的海山鏈和洋底高原大多單獨存在,一直沒有證據顯示存在二者成因相連的現象。實際上,北半球太平洋除夏威夷海山鏈以外,由正在活動的熱點形成的還有一個卡洛琳海山鏈。與黃帝嶺-夏威夷海山鏈不同的是,卡洛琳海山鏈西端連接一個巨大的卡洛琳隆起,直徑約600km,位于馬里亞納島弧南端、雅浦島弧以東的三角區,由東、西卡洛琳脊組成。卡洛琳隆起對西太平洋島弧系統演化有重要影響,改變了馬里亞納-雅浦島弧系統的構造演化軌跡,目前正以極低速率(<6 mm/yr)向雅浦海溝匯聚。盡管DSDP 57站曾在東卡洛琳脊北側獲得幾塊玄武巖,但是卡洛琳隆起整體的地質學性質和年代都不清楚。 

  中科院海洋所張國良研究團隊2015年通過“科學”號考察船對卡洛琳隆起主體不同部位進行了拖網基巖采樣,獲得樣品主要為拉斑玄武巖,以及少量堿性玄武巖,并對樣品進行了詳細的年代學、巖石學、礦物學和地球化學研究。結果顯示,獲得的拉斑玄武巖微量元素與原始地幔的分布形式總體相似,與Ontong Java和冰島玄武巖也非常相似,堿性玄武巖在微量元素和同位素組成上則與東部海山鏈玄武巖幾乎重疊。這些結果證明卡洛琳隆起是一個中等尺度的洋底高原(大火成巖省)。 

  放射性年代學結果顯示,這些拉斑玄武巖形成于15-24Ma之間,明顯老于東部卡洛琳海山鏈(1-12Ma)。構造恢復和巖石地球化學分析均顯示,卡洛琳高原形成于卡洛琳海盆擴張時期的擴張中心附近,導致其與冰島玄武巖組成相似。獲得堿性玄武巖年齡為約8Ma,這與Ontong JavaHikurangi等典型洋底高原主體形成后出現的堿性火山活動相似,地球化學對比結果顯示與東部卡洛琳海山鏈玄武巖可能來自同一個源區類型。 

  實際上,卡洛琳海山鏈最年輕的洋島(科斯雷島)年齡只有1-3Ma,在造盾期只出現堿性玄武巖。與夏威夷熱點相似的是,科斯雷下部也有一個深達核幔邊界的低剪切波速異常(屬于太平洋低剪切波速異常區);科斯雷火山巖異常高的3He/4He比值,這也符合下地幔來源的特征。板塊構造恢復也顯示,在25-30Ma時卡洛琳熱點位于雅浦海溝以東的卡洛琳高原附近。值得注意的是,卡洛琳高原堿性火山巖形成時代較晚,可能與地幔柱低程度富CO2熔體交代巖石圈后的重新熔融有關。綜合研究認為:卡洛琳海山系統形成于一個中等尺度的初始地幔柱,形成卡洛琳洋底高原主體后,隨板塊運動順序形成了東部的海山鏈,由于巖漿量逐漸減少、火山巖堿性也逐漸增強,這些均說明卡洛琳系統是一個短周期(相對夏威夷鏈)的地幔柱。該成果對于揭示西太平洋板塊構造演化、洋底高原成因環境以及地幔柱本質具有重要的參考意義。  

卡洛琳洋底高原地形、構造單元和采樣位置

卡洛琳洋底高原微量元素分布圖

卡洛琳洋底高原玄武巖同位素組成

卡洛琳洋底高原和海山鏈年齡展布和Sm/Yb變化圖解

  文章信息: “G.-L. Zhang, J Zhang, S.-W, J.-X Zhao, 2020. Geochemical and chronological constraints on the mantle plume origin of the Caroline Plateau. Chemical Geology, doi.org/10.1016/j.chemgeo.2020.119566”  


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