地震层析成像显示,西太平洋俯冲板块长距离滞留在东北亚下方的地幔过渡带中,形成了独特的大地幔楔结构。大地幔楔的形成与演化拓展了俯冲板块与上覆地幔之间物质和能量交换的空间范围,不仅增强了东北亚陆缘及板内岩浆活动过程,还与整个东亚大陆晚中生代以来的诸多重大地质事件的发生密切相关。前人根据西太平洋俯冲带演化历史,提出东北亚陆缘大地幔楔结构自早白垩世就已经形成,并且先后经历了两个大地幔楔的形成与演化过程,分别为晚中生代期间与古太平洋板块滞留有关的东亚大地幔楔,以及新生代期间太平洋板块滞留所形成的东北亚大地幔楔。近年来,基于地震学资料和东北亚新生代玄武岩成分时空演化规律的研究均表明东向地幔流在驱动新生代期间东北亚大地幔楔形成上起到了关键作用。然而,对于晚中生代期间,东亚大地幔楔的形成机制如何,地幔流是否同样起到了驱动作用,目前仍缺乏研究。 地幔流有效驱动俯冲板块滞留的关键与地幔黏性条件和运动方向密切相关。挥发份的加入被认为是能够降低地幔黏性的主要控制因素之一。在大地幔楔初始形成过程中,俯冲板块将挥发份循环从小地幔楔向大地幔楔延伸,进而影响深部地幔的流变性质并控制上覆地幔的动力学过程。碳作为重要的挥发份组份,在改造地幔流变性质上的作用尤为显著。特别是当碳以氧化态形式加入到地幔中,能够显著降低地幔黏性,进而提升地幔蠕变速率(地幔流速)。前人的研究已经揭示了东亚/东北亚大地幔楔中大量来自滞留(古)太平洋板块的再循环碳的存在。然而,对于晚中生代期间东亚大地幔楔形成过程中,西太平洋俯冲板块俯冲碳通量的时间演化特征如何?滞留板块驱动的深部碳循环时间尺度是多少?目前仍缺乏清晰的认识,限制了对深部碳循环过程的理解。 针对上述关键科学问题,本文以东北亚晚中生代不同空间位置、不同喷发期次的板内玄武岩作为研究对象,系统开展了全岩主微量元素和Sr-Nd-Pb-Zn同位素地球化学分析测试工作;利用晚中生代板内玄武岩地球化学组成的时空演变,并结合区域构造演化,探讨了晚中生代期间地幔流的运动形态,揭示了地幔流在东亚大地幔楔形成中的重要贡献。此外,本文基于板块重建模型,重建了晚中生代—新生代早期西太平洋俯冲板块各储层俯冲碳通量及其输入来源随时间的变化;同时,对东北亚地区具有相似空间位置,且时代连续的板内玄武质岩石作为研究对象,利用它们的主微量和Sr-Nd-Pb-Zn同位素数据,查明了东北亚板内再循环碳量和来源随时间的变化;根据重建的俯冲碳通量与板内玄武质岩石所反映的再循环碳量之间的时间联系,约束了东北亚地区与滞留板块相关的深俯冲碳的循环时间。本文取得的具体成果如下: 1.确定了晚中生代期间东北亚陆缘存在垂直于海沟方向的地幔流,并提出地幔流是驱动东亚大地幔楔形成的主要机制。 东北亚晚中生代板内玄武质岩石主要出露于脑木根-牛头山-阜新-辽源-大屯-抚顺地区,多具有典型软流圈地幔起源特征,并且显示出显著的时空变异特征。这些板内玄武质岩石的形成时代介于126~60 Ma之间,具有从陆内到陆缘逐渐年轻的时空分布特点。在地球化学组成上,上述玄武质岩石的Ba/Nb、Ba/La、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb比值均呈向陆缘方向逐步上升趋势,而Nb/Yb、Zr/Yb、Ta/Yb和Nb/Nb*比值则呈下降趋势。样品地球化学成分变化不受岩浆演化过程和部分熔融程度影响,而是反映了俯冲板块贡献和地幔富集或亏损程度在垂直于海沟梯度上的规律性变化,揭示了地幔自西向东的混合过程,即陆内富集的软流圈地幔逐渐与陆缘受俯冲板块物质改造的亏损软流圈地幔混合,表明东北亚晚中生代期间垂直于海沟方向地幔流的存在。结合地幔流运动时间和东亚大地幔楔形成时间的一致性,地幔流运动方向和古太平洋俯冲方向的共轭性,以及地幔流与晚中生代期间裂陷盆地沉积中心迁移方向的同向性,共同证明垂直于海沟方向的地幔流在驱动东亚大地幔楔形成上起到了重要作用。根据玄武岩Zn同位素的研究,揭示该时期俯冲碳酸盐的加入是降低上地幔黏性,进而提升地幔蠕变速率的主要控制因素。 2.查明了东北亚地区晚中生代—新生代早期西太平洋俯冲板块俯冲碳通量随时间演化特征,并揭示了滞留板块驱动的深俯冲碳循环的时间尺度。 基于板块重建模型,重建了晚中生代—新生代早期西太平洋俯冲板块各储层俯冲碳通量和俯冲碳输入来源随时间的变化。结果表明,在晚中生代—新生代早期,西太平洋俯冲板块向深部地幔中输入的碳通量为1.4~14.9 Mt/yr,并分别在112 Ma、80 Ma和55 Ma显示明显降低趋势。俯冲碳输入来源随时间演化同样呈现较大变化,80 Ma之前俯冲碳主要来自俯冲板块中的洋壳和岩石圈地幔储层;而俯冲沉积物和蛇纹岩储层的贡献较小;相比之下,80 Ma之后俯冲板块中洋壳的贡献度显著降低,碳酸盐沉积物成为深俯冲碳的主要来源。 松辽盆地南缘的阜新-伊通-抚顺-双辽-辽源地区出露大量的与(古)太平洋俯冲-滞留板块相关且时代连续的板内火山活动。来自该地区的晚中生代—新生代早期板内玄武质岩石的Zn同位素显著重于正常地幔值,且随时间演化而发生变化,指示地幔源区俯冲碳酸盐的加入量存在变化。通过Sr-Zn同位素模拟计算表明东北亚晚中生代—新生代早期板内玄武质岩石地幔源区中俯冲碳量为0.4~1.0 wt.%,并分别在92 Ma、60 Ma和43 Ma显示明显的低值。此外,不同时期深部地幔源区中俯冲碳的来源不同,大于60 Ma样品的地幔源区中的俯冲碳主要来源于蚀变洋壳;小于60 Ma样品的地幔源区中俯冲碳则主要来源于碳酸盐岩沉积物。 将两种模型得到的俯冲碳量进行对比,发现重建的西太平洋俯冲碳通量与板内玄武质岩石所反映的俯冲碳量之间存在时间上的协同变化、俯冲碳的载体与板内玄武质岩石所反映的俯冲碳的来源变化一致、俯冲板块输入到上地幔中的碳量与板内玄武质岩石所记录的俯冲碳量相似,共同揭示了西太平洋俯冲-滞留板块主导了东北亚地区晚中生代—新生代板内区域深部地幔中再循环碳量的变化,且存在平均17 Ma的时间差,代表了西太平洋俯冲带晚中生代—新生代早期俯冲碳从俯冲带进入到板内岩浆活动逃逸的大致循环时间,远远低于前人对俯冲碳在深部地幔停留时间的估算。 上述结果综合表明,俯冲-滞留西太平洋板块驱动了大地幔楔结构中快速的深部碳循环过程,意味着晚中生代—新生代早期东北亚上地幔对俯冲-滞留板块中的碳具有相对高效的提取效率,进而能够有效降低上地幔黏度,提升地幔蠕变速率,进而导致深部地幔流成为控制同时期东亚-东北亚大地幔楔形成机制的主要因素。