青藏高原中部晚三叠世大陆榴辉岩揭示2500公里长的古特提斯大陆俯冲

地质学 地球化学 地球科学
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青藏高原中部晚三叠世大陆榴辉岩揭示古特提斯大陆俯冲

学术背景

青藏高原是地球上最年轻、最高的高原之一，其形成与特提斯洋的闭合和印度-欧亚板块的碰撞密切相关。古特提斯洋是中生代时期的一个重要海洋，其闭合过程对青藏高原的地质演化产生了深远影响。长期以来，青藏高原的榴辉岩被认为是古特提斯洋壳俯冲的产物。然而，近年来的一些研究表明，部分榴辉岩可能具有大陆俯冲的成因。这一发现对理解青藏高原的地质演化具有重要意义。

本文的研究旨在揭示青藏高原中部晚三叠世大陆榴辉岩的成因及其对古特提斯洋闭合过程的指示意义。通过详细的岩石学、地球化学和年代学研究，作者试图回答以下问题：这些榴辉岩的原岩是什么？它们的形成过程如何？这些榴辉岩的发现对理解古特提斯洋的闭合过程有何启示？

论文来源

本文由Wang Xu、Lishuang Liu、Matthew J. Kohn、Pinghua Liu和Jia Cai共同撰写。作者分别来自中国地质科学院地质研究所、北京师范大学国家安全与应急管理学院和Boise State University地球科学系。论文于2024年10月18日在线发表在《Geology》期刊上，DOI为10.1130/G52796.1。

研究流程

1. 样品采集与初步分析

研究团队在青藏高原中部的Pianshishan榴辉岩带采集了四个不同区域的样品（A-D区）。这些样品主要为细粒、花岗变晶结构的榴辉岩，主要由石榴石和单斜辉石组成，含有不同量的角闪石和少量白云母、石英和金红石。研究团队对这些样品进行了详细的岩石学和矿物学分析，以确定其矿物组合和变质条件。

2. 相平衡模拟

为了确定榴辉岩的变质条件，研究团队进行了相平衡模拟。通过H2O饱和的等化学相图，研究团队预测了榴辉岩在峰值变质阶段的矿物组合和压力-温度条件。结果显示，样品23xw13-9和23xw14-8的峰值变质条件分别为2.08-2.12 GPa/528-537°C和2.07-2.13 GPa/524-537°C。这些结果表明，Pianshishan榴辉岩经历了高压榴辉岩相变质作用，但未达到超高压条件。

3. 锆石U-Pb年代学

研究团队对六个榴辉岩样品中的锆石进行了激光剥蚀-多接收器-电感耦合等离子体质谱（LA-(MC)-ICP-MS）U-Pb定年。结果显示，样品23xw14-10b、23xw14-20和23xw14-25的锆石核心年龄为240±1 Ma、241±1 Ma和239±1 Ma，而样品23xw14-20的锆石边缘年龄为235±1 Ma。此外，样品23xw13-10、23xw14-9和23xw14-10a的锆石核心年龄为1847±10 Ma、1862±6 Ma和1856±7 Ma。这些结果表明，Pianshishan榴辉岩的原岩形成于约240 Ma，并在约235 Ma经历了榴辉岩相变质作用。

4. 地球化学分析

研究团队对Pianshishan榴辉岩进行了全岩地球化学分析。根据地球化学特征，榴辉岩可分为两组：第一组样品具有低SiO2（45.0-47.4 wt%）和Al2O3（11.5-13.2 wt%），高TiO2（4.0-5.8 wt%），类似于洋岛玄武岩（OIB）和板内玄武岩；第二组样品具有较高的SiO2（47.9-49.0 wt%）和Al2O3（14.4-15.7 wt%），较低的TiO2（1.1-2.6 wt%），类似于大洋中脊玄武岩（MORB）和下地壳。这些结果表明，Pianshishan榴辉岩的原岩可能经历了地壳物质的混染。

主要结果

  1. 榴辉岩的变质条件：相平衡模拟结果显示，Pianshishan榴辉岩经历了高压榴辉岩相变质作用，峰值变质条件为约2.1 GPa/530°C。这些结果表明，榴辉岩的原岩被俯冲至至少75 km的深度。

  2. 榴辉岩的年代学：锆石U-Pb定年结果显示，Pianshishan榴辉岩的原岩形成于约240 Ma，并在约235 Ma经历了榴辉岩相变质作用。此外，锆石核心的古老年龄（约1850 Ma）表明，榴辉岩的原岩可能经历了地壳物质的混染。

  3. 榴辉岩的地球化学特征：地球化学分析结果显示，Pianshishan榴辉岩可分为两组，分别类似于洋岛玄武岩和下地壳。这些结果表明，榴辉岩的原岩可能经历了地壳物质的混染。

结论与意义

本研究首次在青藏高原中部发现了古特提斯大陆俯冲形成的榴辉岩。这些榴辉岩的原岩形成于约240 Ma，并在约235 Ma经历了高压榴辉岩相变质作用。结合西南中国的Qianmai榴辉岩，研究团队提出，古特提斯洋的闭合过程中，大陆物质被俯冲至地幔深度，形成了长达2500 km的大陆俯冲带。这一发现不仅揭示了古特提斯洋的闭合过程，还为理解晚三叠世全球气候变化提供了新的视角。

研究亮点

  1. 首次发现古特提斯大陆俯冲形成的榴辉岩：本研究首次在青藏高原中部发现了古特提斯大陆俯冲形成的榴辉岩，为理解青藏高原的地质演化提供了新的证据。

  2. 揭示了古特提斯洋的闭合过程：通过详细的岩石学、地球化学和年代学研究，研究团队揭示了古特提斯洋的闭合过程，提出了长达2500 km的大陆俯冲带。

  3. 为理解晚三叠世全球气候变化提供了新的视角：研究团队提出，古特提斯洋的闭合过程中形成的高海拔山脉可能影响了晚三叠世的全球气候，特别是卡尼期洪积事件（Carnian Pluvial Episode）的强季风气候。

其他有价值的信息

研究团队还提出，古特提斯洋的闭合过程中形成的高海拔山脉可能对晚三叠世的全球气候产生了重要影响。未来的气候模型研究可以进一步探讨这一高海拔山脉对晚三叠世气候的影响。