安第斯高原中部地壳“浮动”与岩石圈下沉的关联研究

学术背景

安第斯高原是地球上最活跃的造山带之一，其形成与演化过程一直是地质学家关注的焦点。岩石圈下沉（lithospheric foundering）是造山带中地壳变形、盆地沉降和地表抬升的重要机制之一。然而，岩石圈下沉的细节、时间尺度以及地壳在这一过程中的具体作用仍然缺乏定量研究。特别是在安第斯高原中部的普纳（Puna）地区，岩石圈和地壳的厚度较薄，暗示了岩石圈下沉的可能性。Arizaro盆地作为普纳地区的一个典型盆地，被认为是晚中新世岩石圈下沉的产物，但其地壳厚度变化的历史尚未得到充分约束。

本研究旨在通过一种新颖的方法——利用火山灰中碎屑锆石的地球化学特征——重建Arizaro盆地及其周边岩浆源区的地壳厚度变化历史，从而揭示岩石圈下沉对地壳厚度和地表变形的影响。

论文来源

这篇论文由B. Carrapa、G. Jepson、P.G. DeCelles等作者共同撰写，作者团队来自亚利桑那大学、俄克拉荷马大学、布加勒斯特大学和马萨诸塞大学阿默斯特分校等多个研究机构。论文于2024年10月18日在线发表在Geology期刊上，题为《Crustal bobbing in response to lithospheric foundering recorded by detrital proxy records from the central Andean plateau》。

研究流程与结果

1. 研究目标与方法

本研究的主要目标是通过分析Arizaro盆地火山灰中的碎屑锆石，重建该地区新生代的地壳厚度变化历史。为此，研究团队采用了以下方法：

• 锆石U-Pb年代学与微量元素分析：通过高分辨率激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）技术，对锆石进行U-Pb定年和微量元素分析，以确定锆石的年龄和地球化学特征。
• Lu/Hf同位素分析：通过多接收器LA-ICP-MS技术，分析锆石的Lu/Hf同位素组成，以确定岩浆源区的特征。
• 地壳厚度估算：利用锆石中的La/Yb比值和Eu异常，结合已有的地壳厚度估算模型，重建Arizaro盆地周边地区的地壳厚度变化历史。

2. 样品采集与处理

研究团队从Arizaro盆地的Vizcachera和Batín地层中采集了10个火山灰样品和1个碎屑样品。这些样品的年龄范围从约36百万年（Ma）到11 Ma。通过对这些样品中的锆石进行分析，研究团队获得了大量的U-Pb年龄、微量元素和Lu/Hf同位素数据。

3. 数据分析与结果

• 地壳厚度变化历史：研究结果显示，Arizaro盆地的岩浆源区在约36 Ma时地壳厚度约为53公里，表明该地区在早新生代已经经历了显著的地壳增厚。在约20 Ma到13 Ma之间，地壳厚度进一步增加，随后在13 Ma之后开始减薄。这一变化与岩石圈下沉导致的地壳根部形成和随后移除的过程一致。
• 岩浆源区特征：Lu/Hf同位素数据显示，锆石的εHf值变化较大，表明岩浆源区既有地壳来源，也有地幔来源的贡献。这一结果与普纳地区晚中新世火山岩的地球化学特征一致，表明岩浆活动与岩石圈下沉密切相关。

4. 模型验证与解释

研究团队通过数值模拟和类比模型验证了他们的发现。模型显示，随着岩石圈根部的形成，地表会因粘性应力而下沉，随后在根部移除时地壳会因均衡反弹而抬升。这一过程与Arizaro盆地的沉降和抬升历史高度吻合。

结论与意义

本研究通过碎屑锆石的地球化学分析，首次定量重建了Arizaro盆地及其周边地区的地壳厚度变化历史。研究结果表明，岩石圈下沉是导致该地区地壳厚度变化和地表变形的主要机制。这一发现不仅深化了我们对安第斯高原形成机制的理解，还为其他造山带的研究提供了新的思路和方法。

研究亮点

• 新颖的研究方法：本研究首次利用碎屑锆石的地球化学特征重建地壳厚度变化历史，为类似研究提供了新的工具。
• 重要的科学发现：研究揭示了岩石圈下沉对地壳厚度和地表变形的具体影响，填补了相关领域的知识空白。
• 广泛的应用价值：该研究不仅对理解安第斯高原的形成机制具有重要意义，还可应用于其他造山带的研究，具有广泛的地质学应用价值。

其他有价值的信息

研究团队还指出，Arizaro盆地的地壳厚度变化可能与局部岩浆活动的差异有关。未来的研究可以进一步探讨岩浆活动与岩石圈下沉之间的具体关系，以更全面地理解造山带的演化过程。

这项研究为我们理解安第斯高原的形成机制提供了重要的科学依据，同时也展示了碎屑锆石地球化学分析在地质学研究中的巨大潜力。