多学科交叉融合揭示岩石圈拆沉控制华南中生代盆岭式岩浆省的形成

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院张海江教授课题组，与中国地质科学院侯增谦院士和吕庆田研究员、南京大学王孝磊教授、美国伊利诺伊大学香槟分校刘丽军教授、中国地质大学（北京）王瑞教授等合作，通过地震成像、地球化学和地球动力学综合分析，揭示岩石圈拆沉对华南地区大规模中生代岩浆省的形成具有控制作用。研究成果以“Seismically imaged lithospheric delamination and its controls on the Mesozoic Magmatic Province in South China”为题于5月11日在线发表在国际著名学术期刊《Nature Communications》上。

华南是我国钨锡稀有金属矿产的“大粮仓”，同时也是世界上独具特色的花岗岩分布区。这些金属矿产资源的形成与中生代大面积分布的岩浆省密切相关，但这些岩浆岩和伴生金属矿床形成的动力学机制一直存在争议（图1）。古太平洋板片的平俯冲和后续的回转是一种可能的解释，但是早中生代的岩浆岩没有呈现出明显的平板片俯冲所指示的向西年轻化趋势；而晚中生代的俯冲板片后撤也无法很好地解释花岗质岩石向外扩展分布的时空分布特征。研究团队基于最新发展的地震联合反演算法，利用地震体波走时、面波频散和接收函数确定了华南岩石圈高分辨率的速度模型，发现在深度～90公里以下的软流圈中存在高速异常体。这些高速异常体主要分布在扬子和华夏块体之间的江南造山带下方，并且在西北侧与四川盆地下方的克拉通岩石圈存在弱的连接（图2）。这些高速异常体可以解释为180-170Ma开始拆沉下来的岩石圈块体，后来在下沉的过程中被深部地幔加热又上浮回到目前的位置。岩石圈拆沉也和地球物理反演获得的东北向延伸的莫霍面附近高速度梯度条带、低Vp/Vs条带和薄地壳条带相一致，表明岩石圈拆沉还伴随镁铁质下地壳的拆沉。

图1 华南构造格局(a)与中生代岩浆的分布(b)。右图不同颜色的圆圈表示镁铁质岩石的分布情况，其他颜色的区域指的是花岗质岩石的分布情况。

图2 地震联合反演确定的华南岩石圈Vs模型。(a-e)显示了沿着(f)中五条剖面的Vs模型，90公里以下的高速异常指示了拆沉的岩石圈；(f)莫霍面附近的速度梯度分布，其中高梯度指示了岩石圈拆沉的区域。

大规模的拆沉会对岩石圈进行改造，导致地幔岩石圈的减薄，触发软流圈的绝热上涌，以及后续岩石圈的扩展和上覆地壳的大规模熔融，进而形成华南中生代盆岭型的巨型岩浆岩省。地球化学数据进一步支持了该岩石圈拆沉机制，拆沉需要来自下方对流地幔的大量热和水来触发上层岩石圈尤其是中下地壳的大范围熔融，从而产生了大量花岗质岩石和出露的少量镁铁质岩石。分布于西华夏块体和江南造山带的幔源岩浆岩记录着岩石圈拆沉的时间和源区的转变，从180–160 Ma期间亏损的软流圈和富集的岩石圈地幔共同作为岩浆源区，到160–95 Ma期间以富集岩石圈地幔熔融为主，再到95–80 Ma期间两种类型岩浆共生。地震成像结果和地质观测数据共同约束了华南块体下方中生代岩石圈拆沉和减压熔融上涌的过程：在早侏罗纪，受早期加厚岩石圈或可能的平板俯冲的触发，江南造山带下方的岩石圈开始发生拆沉，然后不断向外扩张，并在早白垩世期间在东北部终止。而120Ma以来的岩浆喷发可能主要受古平板俯冲的后撤引起的弧后软流圈物质上涌的影响。本合作研究关于华南中生代岩浆省形成机制的新认识将有助于深入理解古太平洋板块周缘动力学机制和华南地区晚中生代巨量成矿大爆发的深部机制，为建立岩石圈深部过程和浅部岩浆与成矿的联系提供新的思路。

图3 侏罗纪以来华南岩石圈构造的演化过程。(a)中生代；(b)当前时期

中国科学技术大学张海江教授和中国地质科学院侯增谦院士为该项成果的共同通讯作者，合作者还包括张海江教授课题组的韩守诚博士和高磊博士。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学技术大学创新团队培育基金等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37855-5

（地球和空间科学学院，科研部）