Geology:板块边界演化新机制

文摘   2024-11-25 12:00   美国  

美国加州边缘海地区具有独特的火山活动和板块边界演化。近日Geology期刊发表最新文章,对该地区的火山岩进行了年龄测定和地球化学分析,发现火山活动与扩张中心的俯冲有关,并提出了“喷灯效应”的概念。研究发现,加州地区经历了两次“效应”,这导致了广泛的火山活动,并使地壳变得脆弱,从而促成了大规模的伸展和地壳垂直轴向旋转。

加州边缘海地区是一个广阔而复杂的区域,主要由水下盆地、山脊和岛屿组成,是现代转换型板块边界的一个典型例子。这里记录了板块边界动力学变化的痕迹,从一个长期的俯冲边界演变为一个转换边界。从大约 3000 万年前到 500 万年前,在从俯冲到转换运动的转变过程中,加州边境地区经历了多种独特的变形,包括地壳块体沿垂直轴的旋转。这些变形方式在其他板块边界上并不常见,而其形成机制一直是科学家们关注的焦点。

图1. 加州边缘海地区的海底地形图。虚线将局部构造块体划分为外陆和内陆。本研究中使用的样品位置已显示,包括年龄测定值

加州边缘海地区火山活动为何如此独特?是什么原因导致了大规模的牵张和地壳旋转?这些火山活动与板块边界演化之间是否存在联系?
为了回答这些问题,研究团队对来自加州边境地区不同位置的火山岩进行了采样,对火山岩进行了40Ar/39Ar年龄测定和地球化学分析,并结合区域构造模型进行研究。
研究结果表明,加州边缘海地区火山活动可以分为两个不同的阶段:渐新世(31−30 Ma)和中新世(19−13 Ma)。这两个阶段的火山岩都属于钙碱性火山岩,但其成分和矿物组成存在差异。

图2. 研究样品的火成岩分类图。总碱-硅图表明岩石主要落在玄武岩到英安岩的趋势上。碱-铁-镁 (AFM) 三元图表明几乎所有样品本质上都是钙碱性的。

渐新世火山岩显示出高程度的部分熔融特征,表明它们来自地幔软流圈,并吸收了含水的弧岩石圈成分。而中新世火山岩则显示出低程度的部分熔融特征,表明它们可能来自地幔深处,并受到俯冲带流体的影响。

图3. 加州地区海底熔岩流的关键微量元素特征。(A)Dy/Yb 和 La/Sm。(B)Th/Yb 和 Nb/Yb

研究团队发现,这些火山活动与一个活跃的扩张中心的俯冲有关。在渐新世和中新世,这个扩张中心分别到达了加州海域地区的俯冲带,并引发了火山活动。

图4. 加州地区火山和构造记录的时间协调。(左)边境地区的主要构造事件。(右)板块边界演化在文中讨论。F - 变换断层;R - 海岭;T - 海沟;C# - 磁性年代;BL - 边境地区;MOR - 中洋脊。

这项研究首次提出了blowtorch effect喷灯的概念,以解释加州边境地区独特的火山活动和构造变形。

喷灯:又名喷火灯、冲灯,是利用喷射火焰对工件进行加热的一种工具,常用于焊接时加热烙铁,铸造时烘烤砂型,热处理时加热工件,汽车水箱的加热解冻等。包括煤油喷灯,燃料为灯用煤油;汽油喷灯,燃料为工业汽油。

“blowtorch effect”指的是当一个活跃的扩张中心俯冲到俯冲带时,会造成地幔软流圈向上涌升,并在弧地区引发火山活动。研究团队发现,加州边境地区在渐新世和中新世经历了两次“效应”,这导致了广泛的火山活动,并使地壳变得脆弱,从而促成了大规模的伸展和地壳垂直轴向旋转。
为加州地区独特的火山活动和构造演化提供了新的解释。持续的沟-脊相互作用会产生“喷灯效应”,导致弧火山活动和地壳弱化,从而影响板块边界演化。

论文信息:Andrea BalbasKevin KonradNathan OnderdonkPaterno R. CastilloRichard Behl; Oligocene and Miocene blowtorch volcanism within the California Borderland and its influence on the plate-boundary transition. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52175.1


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