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Nature Communications: 中新世以来近代西藏地壳的熔融状态

2018-09-18

大量花岗质岩石在喜马拉雅造山带内的地表出露说明地壳的熔融反应对造山带的地质演化过程起到了重要作用,但是多期次叠加的构造运动所形成的复杂岩石结构特征阻碍了对造山带岩浆运动过程的重建。地球物理测量数据能够给出目前地下深部的结构构造影像,但是并不能鉴别包括熔融作用在内的地质演化过程。

针对于此,中国地震局地质研究所助理研究员陈进宇及其导师杨晓松研究员与法国奥尔良大学/法国国家科学研究中心(CNRS)地球科学研究所(ISTO)的FabriceGaillard研究员团队合作开展了部分熔融的高喜马拉雅结晶岩系(GHS)电导率性质的实验研究。通过在高温(750-1400 ℃)和高压(0.5、1和2 GPa)的条件下测量不同含水量(0-8 wt%)高喜马拉雅花岗质熔体的电导率大小、拟合有效的实验数据(图1)并建立了该熔体的P-T-H2O电导率模型公式:





在此基础之上,利用Perple_X热动力学软件模拟(Connolly, 2005, 2009)与HS+电导率混合模型(Hashin & Shtrikman, 1962)计算了部分熔融GHS混合二相体的有效电导率大小,结合通过Channel Flow模型计算得到的GHS在近50 Ma的P-T变化轨迹(Jamieson et al.2004),并与目前大地电磁数据(Unsworth et al.2005; Arora et al. 2007)对比提出经历脱水熔融反应、赋存4~16 vol%熔体的GHS能够解释喜马拉雅西北部15-25 km高导层(图2中P1、P2);而对于电导率更高的西藏南部18-20 km高导层,认为其熔融程度达到了~35 vol%,需要用先期赋存1 wt%额外超临界流体的注水熔融反应或者由高温异常(+100 ℃)所导致的脱水熔融反应来解释(图2中P3)。此外,GHS的10-13 km高导层是由15-25 km高导层部分熔融所产生的小批量花岗质岩浆沿着岩墙裂隙上涌、侵入至上地壳并不断发生冷凝结晶反应的结果(图2中P4、P5),熔体含量为20±10 vol%。

最终根据实验结果提出喜马拉雅造山带的地质演化模型:随着印度洋板块向欧亚板块俯冲,在喜马拉雅上地壳的封闭系统内发生脱水熔融和注水熔融反应,导致喜马拉雅上地壳不断被加热与软化,持续了近20 Ma。随着GHS不断被挤出,软弱的熔融热岩折返至地表,部分熔融变泥质岩与花岗质岩浆房分别发生变质与结晶反应,形成混合岩与淡色花岗岩。与此同时,大量来自15-25 km深度范围内的水通过参与部分熔融反应,随岩浆向上迁移至10-13 km并在不断结晶的岩浆房中得到释放,最终在西藏南部的地表汇聚形成热泉(图3)。

以上研究成果发表在国际期刊NatureCommunications上(J.Chen, F. Gaillard, A. Villaros, X. Yang, M. Laumonier, L. Jolivet, M. Unsworth,L. Hashim, B. Scaillet and G. Richard. 2018. Melting conditions changes in themodern Tibetan crust since the Miocene. NatureCommunications. 9: 3515).

原文链接:https://rdcu.be/5pWC


图1 高喜马拉雅花岗质熔体电导率的实验测量结果


图2 高喜马拉雅高导层的岩浆活动与流体运移过程


图3 喜马拉雅造山带花岗质岩浆的演化过程