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    新疆生地所在《自然-通訊:地球與環境》發文揭示:深俯沖增生雜巖在“俯沖工廠”物質循環及氣候環境影響方面具有重要意義和作用

      俯沖帶是地球上最大的物質循環系統,被稱為“俯沖工廠”。巨量的碳元素通過“俯沖工廠”被傳輸至島弧弧下地幔楔深度(80-150km),或至更深層的下地幔。其中,一部分碳元素經由“變質脫揮發分”和“板片部分熔融”等方式脫離俯沖板片,交代-氧化地幔楔,產生島弧巖漿作用并孕育弧火山噴發。每年約有15-25兆噸的碳元素,經由島弧巖漿-火山作用,排出至大氣層,顯著影響著地球過去、現在和未來的氣候-環境變化,以及對人類的宜居性。因此,“俯沖工廠”物質循環機制是國際學術界關于圈層相互作用的一個重要前沿課題。 

      然而,關于“俯沖工廠”物質循環機制認識還存在一些關鍵難點亟待突破。已有研究表明,全球超過三分之二的現今活動俯沖帶的耦合深度板片表面溫度低于600度,屬于中低溫俯沖帶,約有33-66%的水和65-95%的二氧化碳,會以含揮發分礦物的形式(如OH-CO3-)被俯沖板片運載到更深的地幔(≥80-150km深度),未能有效參與弧下地幔楔的交代作用。因此,富含揮發分和成礦元素的深俯沖增生雜巖研究成為“俯沖工廠”物質循環機制的關鍵突破點。目前,僅通過數值模擬以及巖石地球化學的初步研究,證實了孕育“弧巖漿作用”的揮發份有來自于深俯沖增生雜巖底劈熔融的貢獻,然而這一機制和過程的普遍性未能在古今造山帶-縫合帶中得到系統證實與系統解剖,這嚴重制約了對“俯沖工廠”物質循環機制的深刻認識。 

      針對上述問題,中國科學院新疆生態與地理研究所肖文交院士團隊,選取位于吉爾吉斯斯坦南天山Atbashi高壓-超高壓變質帶中的Kembel雜巖帶(圖1),開展了詳細的區域大比例尺野外巖性-構造填圖、變質巖石學、巖石地球化學及熱動力學模擬研究,并結合南天山構造域內不同巖石類型的地球化學和年代學大數據匯總,系統厘定了古亞洲洋西南緣的古南天山洋盆長期俯沖增生過程中,深俯沖折返的特征性高壓-超高壓變質巖、殼-幔響應以及區域地球動力學格架之間的時空演化關系。 

      通過詳細的變質巖石學、礦物學、熱動力學模擬及微量元素溫度計等研究,識別出了一套特殊的高溫-超高壓榴輝巖,其特征顯著不同于該區域常見的低溫-高壓/超高壓榴輝巖。巖相學上,高溫榴輝巖的綠輝石基質和石榴石中包裹有海量的它形石英包裹體,以及少量具有疑似“微型-輝綠巖”成分的殘余熔體包裹體(2)。礦物成分上,其石榴石更富鎂貧鐵和鈣,綠輝石具有偏高的錐輝石-普通輝石-透輝石及偏低的硬玉成分(圖2)。熱動力學相圖模擬、金紅石Zr和石英Ti元素溫度計結果顯示,其峰期溫度顯著高于南天山低溫-高壓/超高壓榴輝巖的典型值(~520-550℃),達到了約820℃(圖2)。金紅石離子探針U-Pb定年顯示,其具有和低溫-超高壓榴輝巖相似的晚石炭世峰期變質年齡(~315Ma)。全巖地球化學上,其Hf/Nd、Nd/Sr、143Nd/144Nd87Sr/86Sr比值顯示出它們可能源自于蝕變洋殼、虧損地幔及大洋沉積物的機械混合(圖3),這與區域上典型的低溫-超高壓榴輝巖(N-MORB,E-MORBOIB)有顯著區別。因此,本研究所報道的高溫榴輝巖很可能是深俯沖增生雜巖發生底劈熔融的直接巖石記錄(4)。結合前期工作及數據匯總,提出區域上絕大部分(超過95%)近同期的中基性弧巖漿巖的上述指標,具有和高溫榴輝巖耦合一致的地球化學特征(圖3)。同時,晚石炭世也是古南天山洋長期俯沖增生過程中的:1)弧巖漿作用主要爆發期,其中巖漿產量約為40km3(km Ma-1)-1;2)陸殼大規模生長和加厚期;3)巨量新生地幔物質上涌期;4)斑巖銅(金)礦的大規模成礦主要時期。上述現象和證據進一步表明,具有“低粘度、低密度和富揮發份”的深俯沖增生雜巖在揮發分運移、弧巖漿作用孕育、以及調節地球“俯沖工廠”物質循環方面具有不可忽略的重要意義和作用。 

      相關研究成果以Formation of the eclogites of the Atbashi complex, Kyrgyzstan, in a subduction zone mélange diapir為題,發表在Nature旗下期刊Communications Earth & Environment上。中國科學院新疆生態與地理研究所桑苗副研究員為論文第一作者,譚舟副研究員和肖文交院士為通訊作者。該研究得到國家自然科學基金項目、新疆維吾爾自治區重大科技專項、以及第三次新疆綜合科學考察項目的支持。 

      論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s43247-023-01106-8  

    1: 中亞造山帶西南緣南天山Atbashi變質雜巖帶中榴輝巖的野外露頭特征。 

    2: 南天山Atbashi高溫-和低溫-超高壓榴輝巖的差異性巖相學特征和P-T演化史。 

    3: 區域上不同巖石類型的多學科數據匯總和對比。 

    4: 深俯沖增生雜巖底劈熔融的首個巖石記錄。 

        

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