中国科学家发表IODP 367/368/368X航次新成果：南海玄武岩高Al特征的岩石学成因及对南海初始扩张阶段岩浆作用的约束

近日，国际地学期刊Chemical Geology在线发表了中国科学院深海科学与工程研究所田丽艳研究员团队及合作者题为“Petrogenesis of High-Alumina Basalts: Implications for Magmatic Processes Associated with the Opening of the South China Sea”的研究论文。该研究通过揭示南海玄武岩高Al低Mg的岩石学成因，约束了南海初始扩张阶段的岩浆作用。

近年来，国际大洋发现计划（IODP）在我国南海北部陆缘进行的一系列航次研究结果，推翻了南海属于贫岩浆型陆缘类型的早期观点。然而，关于南海由陆向洋快速转变过程中是否受到地幔柱或俯冲等地质作用的强烈影响，仍然存在广泛争议。

为解决上述科学问题，这项研究选取了国际大洋发现计划367/368/368X航次在南海北部陆缘钻探的代表南海初始扩张阶段的U1500和U1503站位新鲜玄武岩样品（图1），开展了全岩和单矿物地球化学研究。结合已发表的代表南海海底扩张晚期的U1431、U1433和U1434站位玄武岩地球化学数据，发现这些玄武岩地球化学数据蕴藏了重要的岩浆活动信息。

    研究结果表明，南海玄武岩普遍具有高Al、低Mg的地球化学特征（图2），与现代岛弧玄武岩类似，但在微量元素配分趋势图上又与岛弧岩浆截然不同，未显示任何Nb-Ta负异常特征。

图2. 南海IODP钻孔玄武岩Al含量随Mg值变化图

     南海玄武岩高Al特征具有复杂的岩石学成因。具体来说，以U1500站位为代表的大部分站位（U1431和U1434）玄武岩受到斜长石堆晶的显著影响。其中，随着岩浆Al含量的增加，U1500玄武岩中斜长石斑晶核部的An值也发生显著增加（图3），表明浮力分选机制不能用来解释其斜长石堆晶的成因。因此，这项研究提出U1500玄武岩斜长石堆晶的形成需要较快的岩浆上升速度，才能克服高An值（密度大）斜长石在岩浆中的负浮力，这一结论进一步支持了南海在初始扩张阶段具有快速张裂过程和强烈岩浆活动的观点。

图3. U1500站位玄武岩斜长石斑晶核部An值随岩浆Al含量变化图

    除斜长石堆晶成因以外，U1503站位部分玄武岩的高Al特征与富水地幔低程度部分熔融密切相关。这些富水的U1503岩浆表现出强烈的俯冲印记（具有较低的Nb/U、Nb/Th比值）。综合前人建立的大量南海海盆构造演化模型，这项研究认为古南海双向俯冲模型能够很好地解释不同钻探站位玄武岩的地球化学特征。其中U1503站位富水的玄武质岩浆是古南海向北俯冲过程中，受交代地幔楔部分熔融的产物（图4）。随着古南海向北俯冲的停止，滞留在现今南海地幔中的俯冲板片释放的流体同样使得西南次海盆U1434站位表现出高于正常MORB的岩浆水含量，这与Tian et al. （2023, NC）报道的地球物理观察结果吻合。

图4. 南海海盆构造演化过程示意图

    中国地质科学院深地实验室王巍助理研究员（原西北大学博士后）为论文第一作者，中国科学院深海科学与工程研究所田丽艳研究员为通讯作者，合作者包括美国Scripps海洋研究所Paterno Castillo教授、浙江大学吴涛研究员和西北大学董云鹏教授。这项工作从南海玄武岩高Al特征岩石学成因的角度，为探讨南海海盆的构造演化过程，尤其是初始扩张机制提供了新的制约。该研究受海南省重点研发计划科技合作方向项目（GHYF2022009）、国家自然科学基金（42025601，41876044）的资助。作者对参与IODP 367/368/368X航次的科学家团队，以及中国IODP办公室一并致谢。