弧持续时间与地壳厚度对弧内锆石-bearing长英质地壳数量及锆石体积的强烈影响

《Chemical Geology》：Arc duration and crustal thickness strongly influence the amount of zircon-bearing felsic crust and zircon volume in arc crust

　　

已有研究提出，弧持续时间与地壳厚度控制着活动弧喷发熔岩的组成，然而，关于弧的地壳厚度与持续时间之间的关系，以及这些因素如何与弧中锆石-bearing中酸性至长英质地壳的数量和弧地壳中锆石的体积相关联，目前知之甚少。本项研究汇编了活动弧与化石弧的持续时间、地壳厚度、化学结构以及熔岩和深成岩地球化学组成数据，以更好地约束弧持续时间、地壳厚度与弧地壳中锆石-bearing中酸性至长英质地壳数量及锆石体积之间的关系。寿命更长、地壳更厚的弧具有比寿命更短、地壳更薄的弧更厚的中酸性至长英质深成岩剖面。在中地壳生长过程中增厚的更厚、寿命更长的弧（Kohistan、Gangdese）比更薄、寿命更短的弧（Talkeetna）具有更高比例的中酸性至长英质地壳。寿命更长、更厚的Kohistan弧（115 Ma；55 km）和Gangdese弧（200 Ma；60 km）所含锆石体积（每公里弧长11.7和4.8 km³锆石）比寿命更短、更薄的Talkeetna弧（35 km；77 Ma；1.17 km³/km）高达一个数量级。寿命更长、更厚的Gangdese弧（每公里弧长233 km³锆石-bearing长英质地壳）和Kohistan弧（255 km³/km）比寿命更短、更薄的Talkeetna弧（139 km³/km）具有更高的锆石-bearing长英质地壳体积。弧持续时间和地壳厚度强烈影响弧中锆石-bearing中酸性至长英质地壳的数量以及弧地壳中锆石的体积。

研究背景方面，已有研究揭示俯冲带弧地壳的厚度和年龄控制着喷发熔岩的组成，较厚岩石圈之下地幔的部分熔融程度较低，导致生成的原始熔体具有比薄岩石圈弧更高的SiO₂、Na₂O和K₂O含量以及更高的La/Sm、La/Yb和Gd/Yb比值。地壳更厚的弧通常在中至上部地壳层次含有更高比例和更大厚度的中酸性至长英质岩石，俯冲带地壳的组成随弧年龄增长和成熟而演化。然而，关于弧的地壳厚度和持续时间如何与其火山岩及中酸性至长英质和超镁铁质至镁铁质深成岩的比例厚度相关联，目前知之甚少；关于弧的持续时间如何与其地壳厚度及中酸性至长英质深成岩剖面的比例厚度相关联，也同样缺乏认识。弧的地壳厚度和持续时间与其中酸性至长英质深成岩剖面厚度之间的关系对弧中锆石-bearing长英质地壳的数量具有重要意义。因此，需要更深入地理解中酸性至长英质地壳与弧地壳总厚度之比、地壳厚度、弧持续时间以及弧熔岩平均组成之间的关系。研究人员汇编了活动弧与化石弧段的中酸性至长英质深成岩剖面和总地壳厚度、持续时间及化学结构，以及这些弧段中至上部地壳中酸性至长英质岩石的比例，以检验弧持续时间与地壳厚度之间是否存在关系，以及中酸性至长英质深成岩剖面地壳厚度与弧地壳化学结构之间的关系。此外，研究人员汇编了34个活动弧和6个化石弧的地壳厚度、弧持续时间以及火山岩和中酸性至长英质与超镁铁质至镁铁质深成岩剖面的厚度比例。活动弧的大部分平均不相容微量元素比值来自Turner and Langmuir（2015a），其余来自其他文献来源。研究人员基于文献汇编的火山岩和深成岩的SiO₂和Zr浓度数据，计算了三个研究程度较高的化石弧（Talkeetna、Kohistan、Gangdese）中锆石的体积，以检验弧地壳厚度和持续时间是否强烈影响锆石-bearing长英质地壳的数量和弧地壳中锆石的体积。研究得出，弧的寿命、总地壳厚度、中酸性至长英质深成岩剖面地壳厚度与活动弧的化学结构之间存在相关性；弧地壳厚度和持续时间强烈影响锆石-bearing长英质地壳的数量和弧地壳中锆石的体积；更厚、寿命更长的弧具有更高比例的锆石-bearing中酸性至长英质深成岩地壳和更高的锆石体积，并喷发具有更高Na₂O和Zr含量及La/Yb和Zr/Yb比值的熔岩。这项研究的重要意义在于，弧持续时间和地壳厚度强烈影响弧中锆石-bearing中酸性至长英质地壳的数量以及弧地壳中锆石的体积，为理解弧地壳演化与锆石产生之间的联系提供了重要约束。

在关键技术方法方面，研究人员主要采用了文献数据汇编与统计分析的方法。研究人员汇编了34个活动弧和6个化石弧的地壳厚度与持续时间数据，其中活动弧地壳厚度主要来自Turner and Langmuir（2015a）的汇编并更新了包括Klein et al.（2023）在内的较新研究，化石弧（如Kohistan和Talkeetna）的总地壳厚度和中酸性至长英质深成岩剖面厚度通过地球物理和野外研究估算；弧持续时间方面，活动弧采用先前汇编中列出的俯冲起始年龄（Gurnis et al., 2004; Hu and Gurnis, 2020）并更新其他文献来源，化石弧优先基于已发表的U-Pb和Sm-Nd年龄范围而非易受重置影响的K-Ar法。研究人员汇编了34个活动弧和6个化石弧的熔岩组成，Na_6.0、Zr_6.0和Zr/Yb_6.0值使用MgO为5.5–6.5 wt%的熔岩计算；Kohistan、Talkeetna和Gangdese弧的古深度、Zr和SiO₂含量数据汇编自文献，古深度通过野外观察和地质气压计确定。研究人员还基于SiO₂和Zr浓度数据估算了含>175 ppm Zr和>66 wt% SiO₂岩石的体积（假定弧宽约120 km），并计算了每公里弧长的锆石体积。

研究结果方面，3.1节平均熔岩组成、弧地壳与中酸性至长英质地壳厚度及弧持续时间：玄武质弧熔岩的平均（La/Yb）_N比值与活动弧的地壳厚度（R²=0.72）和持续时间（R²=0.61）呈正相关；活动弧的地壳厚度与持续时间呈正相关（R²=0.77）；中酸性至长英质深成岩剖面厚度与活动弧持续时间呈正相关（R²=0.82）；活动弧及程度较低的化石弧在洋内弧和大陆弧沿相同重叠趋势分布并形成连续体；弧持续时间与活动弧的中酸性至长英质/总地壳比值呈正相关（R²=0.61），例如持续时间为50 Ma的弧其中酸性至长英质深成岩剖面厚度约4 km，而Colombia和Ecuador弧段已活动288 Ma，其中酸性至长英质地壳厚约35 km。3.2节平均熔岩组成、长英质/总地壳比值与弧持续时间：活动弧的Zr/Yb_6.0值（R²=0.58）、Zr_6.0值（R²=0.46）和Na_6.0值（R²=0.43）与持续时间呈正相关；化石弧的Na_6.0、Zr_6.0和Zr/Yb_6.0比值一般随弧持续时间增加而增加。3.3节化石弧地壳中Zr和SiO₂含量的变化：富锆岩石（>175 ppm Zr）分别出现在Kohistan、Gangdese和Talkeetna弧地壳的最上部40、37和26 km；长英质岩石（>66 wt% SiO₂）贯穿Kohistan和Gangdese大陆弧地壳的大部分，主要见于这两个弧的最上部40和37 km；Talkeetna洋内弧地壳SiO₂较不富集，含>66 wt% SiO₂的长英质岩石限于最上部26 km且主要出现在最上部10 km；Kohistan和Gangdese弧具有更高比例的含>66 wt% SiO₂的富锆（>175 ppm）岩石；寿命更长、更厚的Kohistan弧（115 Ma；55 km）和Gangdese弧（200 Ma；60 km）比寿命更短、更薄的Talkeetna弧（77 Ma；35 km）含有更多富Zr和富SiO₂岩石。3.4节平均地壳生长速率、弧持续时间与地壳厚度：活动弧的持续时间（R²=0.05）和地壳厚度（R²=0.00）与平均地壳生长速率之间相关性可忽略；化石弧的持续时间（R²=0.00）和地壳厚度（R²=0.42）与平均地壳生长速率之间相关性也不显著且较弱。

讨论部分总结如下：4.1节长英质地壳比例、地壳厚度与弧持续时间之间的关系：活动弧的地壳厚度随弧持续时间增加而增加，活动弧的持续时间对应俯冲起始以来的时间；美洲和新西兰寿命更长的大陆弧比西太平洋寿命更短、更薄的洋内弧更厚；活动的Kermadec、Izu、Bonin、Mariana、South Sandwich以及Northern和Southern Tonga洋内弧段具有所有弧中最短的持续时间（52–49 Ma）和最薄的地壳（22–20 km）；Kohistan、Gangdese、Central Chile和Colombia and Ecuador大陆弧是主弧阵列的主要例外；洋内弧和大陆弧被假定代表一个谱系的两端成员，其中"大陆"弧（如Sierra Nevada Arc）最老；洋内弧和大陆弧均显示地壳厚度与弧持续时间之间的重叠正相关，大陆弧具有相似但略高的初始地壳厚度；大陆弧存在一个沿活动弧阵列的显著主趋势和一个可能位于活动弧阵列上方的第二趋势，但后者仅由两个活动弧和两个化石弧组成，未来需要更多化石大陆弧数据来检验。弧地壳中中酸性至长英质岩石的比例与弧持续时间相关，较老的弧在中至上部地壳中含有更大比例的中酸性至长英质岩石和更厚的中酸性至长英质地壳。洋内弧早期阶段主要发生贫H₂O岩浆的浅部分异，而成熟洋内弧和大陆弧发生含水岩浆的深部分异，导致更大体积的演化熔体；从洋内弧早期浅部分异向成熟洋内弧和大陆弧后期深部分异的逐渐过渡可能标志着弧中多压分异的开始以及更多演化中至上部弧地壳的生成。此外，厚（>40 km）活动弧和化石大陆弧段之下俯冲板下地幔较低程度的部分熔融导致生成比薄（<25 km）弧段具有更高SiO₂、Na₂O和K₂O含量的原始熔体，并在厚弧中生成更高比例的中酸性至长英质地壳。寿命长、厚的弧比寿命短、薄的弧具有更高的中酸性至长英质/总地壳比值，这可能源于：（1）更多富SiO₂、Na₂O、K₂O和Zr的原始岩浆；（2）更广泛的壳内分异；（3）在较老、较厚弧的生命周期内更大体积镁铁质下地壳的拆沉。厚、寿命长的弧比薄、寿命短的弧具有更高比例的中酸性至长英质地壳；地壳厚度和弧持续时间与中酸性至长英质地壳比例之间存在正相关；因此，活动弧的地壳厚度、持续时间、中酸性至长英质地壳的比例和厚度与平均熔岩组成之间存在明确联系。活动弧和化石弧的平均地壳生长速率与持续时间或地壳厚度之间可忽略至弱的相关性可能指示稳态岩浆作用，这些可忽略的相关性并不一定排除非稳态（即爆发和停滞）岩浆作用。4.2节弧持续时间与地壳厚度同弧地壳中锆石-bearing长英质地壳数量及锆石体积之间的联系：对于活动弧，弧中中酸性至长英质地壳厚度与弧持续时间之间存在正相关，这可能源于进入厚弧地壳底部的熔体SiO₂和Na₂O含量增加，以及熔体地壳滞留时间和分异增加，连同随弧年龄和地壳厚度增加的壳内熔融和分异。具有高（La/Yb）_N、（La/Sm）_N和（Gd/Yb）_N比值的原始熔体从俯冲板下地幔楔上升至寿命更长、更厚弧的地壳底部，随后侵位至中至上部地壳结晶为中酸性至长英质深成岩；因此，在更厚、更老的弧中更可能生成更厚的长英质地壳剖面。中酸性至长英质地壳厚度从年轻（约50 Ma）弧的约4 km增加至寿命更长（约290 Ma）弧的约35 km；随着弧年龄增加，致密镁铁质下地壳的逐渐拆沉将导致整体弧地壳平均SiO₂含量增加。作为不相容元素，Zr富集于长英质熔体中；锆石饱和可能发生在800 °C下含>175 ppm Zr的長英质熔体（>66 wt% SiO₂）中。在Kohistan和Gangdese弧地壳中，含>175 ppm Zr和>66 wt% SiO₂的岩石主要出现在中至上部地壳（即最上部40和37 km），表明锆石主要赋存于中酸性至长英质中至上部弧地壳中；含>175 ppm Zr和>66 wt% SiO₂的岩石在Talkeetna弧地壳中大多限于最上部10 km，因此这个寿命更短、更薄的弧中锆石-bearing长英质火成岩比例较低。研究人员计算了Talkeetna、Kohistan和Gangdese弧的锆石总体积，因为这些弧具有整个地壳剖面的充分地球化学数据；研究人员估算了含>175 ppm Zr和>66 wt% SiO₂岩石的体积（假定弧宽约120 km），并使用这些样品的平均Zr含量计算了每个弧每公里弧长的锆石体积。寿命更长、更厚的Gangdese弧（200 Ma；60 km）和Kohistan弧（115 Ma；55 km）所含锆石体积（每公里弧长4.8和11.7 km³锆石）比寿命更短、更薄的Talkeetna弧（77 Ma；35 km；1.17 km³/km）高达一个数量级；同样，寿命更长、更厚的Gangdese弧（每公里弧长233 km³锆石-bearing长英质地壳）和Kohistan弧（255 km³）比寿命更短、更薄的Talkeetna弧（139 km³）具有更高的锆石-bearing长英质地壳体积。对于其他化石弧，主要和微量元素分析不足或出露太有限，无法使用该方法。含更高比例中酸性至长英质地壳的寿命长、厚弧中弧地壳所含锆石数量将高于含更多镁铁质地壳的寿命短、薄弧。弧玄武岩平均Zr/Yb_6.0比值及程度较低的Zr_6.0值与活动弧持续时间之间的正相关表明，与地壳厚度相关的熔融程度是原始弧熔体Zr含量的主导影响因素；富Zr沉积物的俯冲对弧中至上部地壳富Zr中酸性至长英质深成岩生成的影响较小，因为Zr是不活动元素，不被流体显著活化。

研究结论部分翻译如下：1）更厚、寿命更长的弧比更薄、寿命更短的弧具有更高比例的中酸性至长英质地壳和具有更高平均Na₂O和Zr含量及La/Yb和Zr/Yb比值的熔岩；更厚的弧比更薄的弧经历更多的中地壳生长。2）寿命更长、更厚的Gangdese弧（200 Ma；60 km）和Kohistan弧（115 Ma；55 km）所含锆石体积（每公里弧长4.8和11.7 km³锆石）比寿命更短、更薄的Talkeetna弧（77 Ma；35 km；1.17 km³/km）高达一个数量级。3）寿命更长、更厚的Gangdese弧（每公里弧长233 km³锆石-bearing长英质地壳）和Kohistan弧（255 km³）比寿命更短、更薄的Talkeetna弧（139 km³/km）具有更高的锆石-bearing长英质地壳体积。4）弧持续时间和地壳厚度强烈影响锆石-bearing长英质地壳的数量和弧地壳中锆石的体积。