Science Bulletin | 长期地幔柱活动见证原特提斯洋的开启与扩张

近期，题名为“Long-lived mantle plume trail recorded the onset and spreading of the Proto-Tethys Ocean”(揭示原特提斯洋演化历程：祁连-秦岭增生带地幔柱活动研究)”的Short Communication发表在Science Bulletin 2025年第9期上。通过对祁连-秦岭增生带内相关岩石的研究，确定存在时间长约1.5 亿年的地幔柱活动，填补了原特提斯洋起源时间空白并完善洋盆演化理论。

原特提斯洋约6.2亿年前在罗迪尼亚超大陆裂解后开始形成并扩张，大洋板块迁移使地幔柱上方岩石圈地幔厚度及熔融深度改变，产生不同岩浆成分，6.2亿年到4.7亿年的地幔柱活动形成海山链，其随大洋板块俯冲时，可能增生到大陆上，也可能俯冲到深部地幔中。

地幔柱是地球深部炽热物质向上涌动的特殊表现，宛如一台强劲的 “引擎”，持续为地幔对流提供动力，深度参与塑造了现今地球的板块构造格局，更是大陆裂解、漂移，以及洋盆开启、扩张进程背后的核心驱动力之一。太平洋板块上，那条绵延长达6000千米的夏威夷火山海山链，便是地幔柱活动与板块运动精妙配合的鲜活例证。沿着这条火山链，岩浆活动留下的痕迹清晰呈现出年龄递进的趋势，为科学家探究板块运动规律、地幔内部对流机制以及地球化学循环过程，提供了不可多得的宝贵线索。

北京大学宋述光教授带领的科研团队，将研究重心聚焦于我国境内的祁连-秦岭增生带。该增生带主要由一系列由断层围限的岩浆杂岩体拼接构成，包括Plume型蛇绿岩杂岩体（包含有枕状/块状玄武岩和苦橄质熔岩等，形成时间> 470 Ma）与洋内岛弧杂岩体（包含弧前玄武岩、玻安岩、高铝/镁玄武岩、赞岐岩等，形成于470~440 Ma）。

科研团队针对Plume型蛇绿岩杂岩体中的镁铁质-超镁铁质岩开展了系统的地球化学分析，研究成果显示，苦橄岩样品呈现出高 MgO（17.1 wt.%~21.5 wt.%, Mg# = 74~78）、TiO₂（1.2 wt.%~1.5 wt.%）以及高 Cr（1524~2204 ppm）、Ni（676~970 ppm）含量特征；玄武岩则在 MgO（多为 4.0 wt.%~11.4 wt.%）与 SiO₂（44 wt.%~53 wt.%）含量上表现出一定变异性。当把二者置于稀土元素球粒陨石标准化配分图、原始地幔标准化蛛网图中进行对比时，发现它们展现出介于富集型大洋中脊玄武岩与洋岛玄武岩之间的独特地球化学属性，与现今典型的正常大洋中脊玄武岩以及俯冲带相关岩浆岩截然不同，但与全球洋底高原岩石高度相似。由此推断，这些岩石很可能源自洋盆内部与热点、地幔柱密切相关的板内岩浆作用。此外，依据全岩成分计算，苦橄岩与玄武岩对应的地幔潜成温度分别为1526~1633 ℃与 1400~1592 ℃，该温度区间与夏威夷热点岩石记录的数据高度契合，为地幔柱成因的阐释提供了极具说服力的热力学证据。

在探索地幔熔融深度的问题上，科研团队借助Lu/Hf 与 Sm/Yb 比值这两种“地球化学示踪剂”。由于二者在石榴石-熔体体系中的分配系数存在差异，因而能够精准追踪地幔熔融深度信息。依据地球化学特征，镁铁质-超镁铁质岩可划分为3组，各组分别对应不同的熔融深度、部分熔融程度以及大洋岩石圈厚度条件。例如，第一组呈现高Lu/Hf、低La/Sm的特征，反映出近洋脊、低压环境下较高程度（约15%~20%）的熔融情形；第三组则表现为低Lu/Hf、高La/Sm，暗示远离洋脊、高压环境下较低程度（小于5%）的熔融状态。

在地质年代学方面，团队对11个辉长岩与玄武岩样品开展了锆石U-Pb定年分析，精准厘定它们的形成时间为621~472 Ma。这一成果强有力地证实了原特提斯洋在扩张与消减进程当中，曾存在一段持续时长约1.5亿年的地幔柱活动。结合区域上大陆溢流玄武岩的时代信息，以及南秦岭-塔里木等地区洋岛玄武岩的存在情况，科研团队进一步推断：祁连-秦岭区域的原特提斯洋，在地幔柱作用下，大约于620~600百万年前开启，且地幔柱的作用一直持续至470百万年前。

该项研究成果填补了原特提斯洋洋盆起源时间的空白，更为解析地幔柱与大洋岩石圈动态交互机制提供了关键参考，极大丰富了威尔逊旋回早期阶段洋盆开启与扩张理论模型的内涵，有助于更深入、全面地认识地球的早期演化历程。

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Jinran Qiao, Jie Dong, Li Su, Mark B. Allen, Shuguang Song. Long-lived mantle plume trail recorded the onset and spreading of the Proto-Tethys Ocean. Science Bulletin, 2025, 70(9): 1420-1423

https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.026

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