帕雷塞维拉盆地Godzilla巨型穹隆洋核杂岩终止期间的深部地壳岩浆-水相互作用

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Deep Crustal Magma-Water Interaction During Oceanic Core Complex Termination of the Godzilla Megamullion in the Parece Vela Basin

　　

摘要：弧后盆地中的洋核杂岩（Oceanic Core Complexes，OCCs）尚未得到充分研究，其终止过程也仍知之甚少。Godzilla巨型穹隆是地球上已知最大的已停止活动的OCC，但迄今缺乏其终止阶段的岩浆与热液记录。本文对Godzilla巨型穹隆终止区的辉长岩和玄武岩开展了综合研究。辉长岩的锆石U-Pb年龄将最新岩浆活动约束在7.93 ± 0.14–8.23 ± 0.04 Ma，该年龄低于区域回归线，表明弧后盆地停止扩张之前扩张速率已出现下降。这些辉长岩记录了单斜辉石及计算所得母岩浆中异常高的水含量和H₂O/Ce比值，指示在洋脊终止过程中发生了同造山岩浆-海水相互作用。这些辉长岩中的高温角闪石（640°C–845°C）也与海水沿拆离断层的深部活动相一致。研究人员提出，岩浆-海水相互作用在Godzilla OCC的形成与演化中发挥了重要作用。

论文解读：Godzilla巨型穹隆洋核杂岩终止阶段的深部岩浆-水相互作用

研究背景与科学问题：洋核杂岩（Oceanic Core Complexes，OCCs）是伸展背景下下地壳和上地幔岩石沿低角度拆离断层剥露至海底形成的构造单元，广泛发育于超慢速-慢速扩张洋中脊及弧后盆地。OCCs为研究洋壳结构、岩浆过程及地幔动力学提供了独特窗口，但其长期活动的拆离断层的稳定机制仍存在争议，现有模型包括滑石蚀变模型、熔体辅助模型和橄榄岩水化模型。已有研究多聚焦于OCCs的成核和稳定滑动阶段，而终止阶段作为拆离断层和岩浆活动的终结过程，其机制尚不清楚。在弧后盆地中，OCCs的研究程度明显低于正常洋脊，其构造-岩浆过程尤其缺乏约束。Godzilla巨型穹隆位于已停止扩张的帕雷塞维拉盆地（Parece Vela Basin），是已知最大的OCC，记录了与消亡扩张洋脊相关的构造-岩浆过程。前人研究确立了其岩浆活动持续约13–8.7 Ma，并伴随高温变形和热液活动，但研究主要集中在破离区和中部区，终止区因缺乏精确的年代学和地球化学证据，其晚期岩浆活动时限、岩石成因、富水特征及热液活动与拆离断层的耦合关系等问题尚未解决。为此，研究人员对Godzilla巨型穹隆终止区的辉长岩和玄武岩开展了岩石学、地球化学和年代学综合研究，旨在限定扩张停止前的最后一期岩浆作用，查明辉长岩与玄武岩的成因联系，并揭示深部热液活动在岩浆-构造系统中的角色。

研究技术方法：研究样品采自2023年“科学”号科考船在Godzilla巨型穹隆终止区ZB站位（ZB-3、ZB-4、ZB-6）通过电视抓斗（TVG）获取的10件辉长岩和9件玄武岩。主要分析方法包括：全岩主量元素采用X射线荧光光谱法（XRF），微量元素采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）；单斜辉石、斜长石、角闪石和橄榄石的主量元素采用电子探针（EPMA）分析；单斜辉石微量元素采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）；锆石U-Pb定年采用飞秒激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱法（FSLA-MC-ICP-MS）；单斜辉石水含量采用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）；Sr-Nd-Pb-Hf同位素采用多接收电感耦合等离子体质谱法（MC-ICP-MS）。角闪石-斜长石温度计采用Holland和Blundy（1994）的方法计算。

研究结果与结论：

（1）岩相学与全岩地球化学。终止区辉长岩可分为氧化物辉长岩（氧化物含量5%–10%）和含氧化物辉长岩（<5%），主要矿物为单斜辉石和斜长石，含少量橄榄石和角闪石。全岩Mg#从73.7降至42.5，SiO₂与Mg#呈正相关，TiO₂与Mg#呈负相关；氧化物辉长岩具有较高的TiO₂含量（1.25–7.54 wt%）和较低的SiO₂、Na₂O含量，且显示正Nb、Ta、Ti异常；两类辉长岩均显示正Sr异常。玄武岩为碱性系列，MgO含量低（2.04–4.19 wt%），Mg#为25.9–42.8，稀土和微量元素含量显著高于辉长岩，显示负Eu异常和负Pb异常，无高场强元素亏损。

（2）矿物化学与温度计。单斜辉石主要为普通辉石，氧化物辉长岩中单斜辉石具有较高的Mg#（75.2–81.0）、Al₂O₃（3.09–3.99 wt%）和TiO₂（0.60–1.11 wt%）；斜长石An含量为48.0–53.5，主要为中长石-拉长石；橄榄石Fo为64.0–68.6，NiO含量低（0.04 wt%）。角闪石-斜长石温度计给出角闪石形成温度为640°C–845°C（压力0.5–2 kbar，对应6–7 km洋壳深度）。

（3）锆石U-Pb年代学。四个辉长岩样品（ZB-4-3、ZB-4-5、ZB-4-6、ZB-4-7）的锆石²⁰⁶Pb/²³⁸U加权平均年龄为7.93 ± 0.14 Ma至8.23 ± 0.04 Ma，所有年龄集中约8 Ma，表明样品同时形成。该年龄落在区域年龄回归线之下，指示帕雷塞维拉盆地停止扩张前扩张速率已衰减。结合前人报道的13–8.7 Ma年龄，证明OCC形成期间（约13.4–7.9 Ma）岩浆活动持续存在，低角度拆离断层剥露持续约5.5 Ma，支持持续岩浆供给维持长期拆离断层的模型。

（4）水含量与同位素。单斜辉石结构水含量为247–689 ppm，平衡熔体水含量计算为2.6–6.4 wt%，H₂O/Ce比值高达249–3,149，远超同一地区玄武岩的H₂O/Ce比值（136–186）。Sr-Nd-Pb-Hf同位素组成（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd = 0.513119–0.513132，⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.702905–0.703088，¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf = 0.283194–0.283247，²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb = 17.8780–17.9646）落在帕雷塞维拉盆地玄武岩范围内，且与Godzilla巨型穹隆玄武岩玻璃相似，指示二者具有共同地幔源区。由于该地幔源区与正常MORB地幔一样贫水，辉长岩中异常高的水含量需由外部海水加入解释。

（5）讨论与结论。单斜辉石-熔体REE分配系数计算的平衡熔体REE配分模式与同一终止区玄武岩相似，表明辉长岩和玄武岩来自共同母岩浆。玄武岩无Nb-Ta亏损，排除了俯冲流体的显著影响，进一步支持高水含量来源于海水。海水沿拆离断层向下渗透进入岩浆系统，形成富水岩浆，结晶出富水单斜辉石；同时，高温热液流体与早期单斜辉石反应形成角闪石边，或直接沉淀角闪石。角闪石形成温度640°C–845°C证实了深部高温水-岩相互作用。综合研究表明，在弧后盆地扩张晚期，持续的岩浆活动维持拆离断层发育，而海水驱动的深部热液活动通过弱化下地壳促进了拆离断层的持续活动，并在OCC形成过程中发挥了关键作用。该研究为OCC终止阶段的深部岩浆-水相互作用提供了矿物尺度的直接证据，深化了对弧后盆地扩张晚期岩浆-热液-构造耦合过程的理解。

研究结论：Godzilla巨型穹隆终止区辉长岩和玄武岩的综合研究证明，海水驱动的热液活动在该OCC的岩浆-构造演化中发挥了重要作用。锆石U-Pb年代学将帕雷塞维拉盆地的最新岩浆活动约束在约8 Ma，早于扩张停止。终止区辉长岩以大量角闪石和氧化物矿物为特征，伴生少量橄榄石。地球化学和同位素结果表明辉长岩与玄武岩源自共同地幔源区。研究发现，辉长岩中单斜辉石异常高的水含量（H₂O/Ce比值高达249–3,149）由海水沿拆离断层渗入所致。因此，这些发现提供了矿物尺度的证据，表明热液活动在弧后盆地演化晚期的OCC和拆离断层发育中起到了关键作用。