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大洋板块古腾堡界面形成机制取得新进展

编辑:chenjiao 作者:刘佳 时间:2019年12月25日 访问次数:26

      岩石圈与软流圈边界(LAB)附近的大幅度横波波速快速降低的界面通常称为古腾堡界面,它的存在为刚性岩石圈在塑性软流圈上的相对运动提供了“润滑剂”。目前对该界面的成因存在着多种解释,如矿物颗粒粒径在此界面处较小,岩石圈与软流圈中橄榄石等名义无水矿物的水含量差异,以及该界面处存在地幔的低程度部分熔融等。在这些解释中,得到最广泛认可的是地幔的部分熔融。然而这一解释也存在着困难之处,例如热力学计算结果显示对正常的古老大洋岩石圈-软流圈边界来说,在没有明显的地幔热扰动的情况下很难维持足够多的熔体来造成波速的显著降低。因此,需要对岩石圈与软流圈边界附近熔体的富集机制做进一步研究。
通过与日本东北大学的Naoto Hirano教授和日本海洋科学技术研究所的Shiki Machida研究员的合作,美高梅官方网站陶春辉研究员团队对来自具有明显古腾堡界面地震观察的西北太平洋板块上的Petit-spot年轻火山(点状火山,图1)玄武岩样品进行了详细的Sr-Nd-Pb以及Mg同位素等地球化学工作。结果表明,岩石圈-软流圈界面处熔体富集的可能机制有两种(图2):一是来自深部地幔的碳酸岩化硅酸岩熔体的上升聚集(图2中的蓝色条带),二是来自浅部软流圈中的富单斜辉石区(marble cake)的部分熔融(图2中的黄色条带)。
       以上工作不仅为LAB熔体的聚集方式提供了直接的地球化学证据,也为古腾堡界面的形成与上地幔地球化学不均一性以及板块物质大尺度循环建立了联系。相关成果已经发表在Nature Communications上。本工作受中科院战略先导B(XDB18000000),国家自然科学基金(91858214), 自然资源部第二海洋研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目(HYGG1801),以及国家重点研发课题(2018YFC0309901)等项目资助。
论文信息:Jia Liu, Naoto Hirano, Shiki Machida, Qunke Xia, Chunhui Tao, Shili Liao, Jin Liang, Wei Li, Weifang Yang, Guoying Zhang, Teng Ding. Melting of recycled ancient crust responsible for the Gutenberg discontinuity. Nature Communications. 2019. https://doi.org/10.1038/s41467-019-13958-w.



图1 西北太平洋上的年轻小火山(petit-spot volcanoes, Site A,B,C),以及地震资料显示的X-Y剖面上岩石圈-软流圈边界处的明显S波波速降低。

 



图2 通过Mg同位素和其他微量元素比值,以及Pb同位素识别出的两种古腾堡界面处的熔体来源(黄色和蓝色条带)。

 

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