新生洋盆的形成是地球板块周期性汇聚和离散旋回（威尔逊旋回）中关键的第一步，而探秘初始洋壳的地球化学特征及其地幔源区特性是理解海底扩张初期新生洋盆形成时地幔动力学过程的重中之重。加利福尼亚湾是东太平洋北部的一个狭长的边缘海，北部仍以陆壳为主，代表大陆裂解阶段，南部以洋壳为主，为海盆扩张阶段，中部的瓜伊马斯盆地记录着海底扩张早期的初始洋壳组分和洋中脊岩浆作用的关键信息。为了探讨瓜伊马斯盆地新生洋壳的地球化学特征和地幔源区组成，中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室地幔地球化学学科组博士生葛振敏、黄小龙研究员与河海大学海洋学院颉炜副教授及其合作者对国际大洋发现计划（IODP）385航次在加利福尼亚湾中部瓜伊马斯盆地（Guaymas Basin）Ringvent热液喷口附近的U1547和U1548站位（图1）获得的玄武质玻璃样品进行了原位主微量元素及Sr-B同位素组成特征研究，同时对加利福尼亚湾自北向南的裂陷扩张和地幔演化过程进行了研究，对理解不受地幔柱影响的板块边缘大陆裂解及初始海底扩张过程具有重要意义。
图1. 加利福尼亚湾地质背景图及钻探位置
研究结果表明，加利福尼亚湾瓜伊马斯盆地的玄武质玻璃样品主要为拉斑玄武质，呈现出E-MORB的稀土和微量元素配分模式，但更为富集流体活动性元素（Ba、K）和亏损流体不活动元素（Nb、Ta、Ti）。此外，这些样品具有比MORB更高的B含量(3.07 ~ 3.67 ppm)、更为富集的Sr同位素组成（87Sr/86Sr = 0.7032 ~ 0.7037）以及更重的B同位素组成（ 11B = ？ 5.52‰ ~ + 1.20‰）。基于B/Nb和Sr-B同位素比值的混合模型，模拟结果显示瓜伊马斯盆地的新生洋壳可能源自亏损地幔（DMM），同时受部分脱水的蚀变洋壳（AOC）及俯冲沉积物（Sed）熔体交代混染的影响（图2）。其中，俯冲沉积物可能是造成样品高B含量及富集的Sr同位素组成的主要原因，而样品重的B同位素组成则主要受蚀变洋壳的影响。位于热液喷口边部的U1548站位样品比位于热液喷口内部的U1547站位样品（图1c）具有更为离散的B同位素组成（图2），则可能是由于B同位素分馏程度随着温度的升高而降低。
图2. U1547和U1548站位玄武质玻璃（a） 11B vs. B/Nb 及（b） 11B vs. 87Sr/86Sr关系图
对比加利福尼亚湾从北到南第四纪近乎同期的岩石样品，本研究发现，从加利福尼亚湾北部（如Isla San Luis火山）？中部（瓜伊马斯盆地）？南部海湾开口处（如Alarc n盆地），岩浆岩呈现出地球化学富集程度（富集Ba元素，亏损Nb、Ti元素）逐渐减弱的变化趋势（图3a），且Ba/Nb及Th/Nb不断降低（图3b），表明加利福尼亚湾的拉张从南到北是渐进式的，且随着加利福尼亚湾的逐渐拉张，新生洋盆地幔源区中富集的再循环组分也逐渐地被耗尽。
图3. 瓜伊马斯盆地与Isla San Luis火山及Alarc n盆地（a）微量元素及（b）Ba/Nb vs. Th/Nb对比图
加利福尼亚湾地区在大陆裂解前，经历了法拉隆板块长期的俯冲作用（图4a），地幔源区中保留了大量的俯冲组分。随着俯冲板片的断离以及深部地幔的上涌，在大面积拉伸变薄的大陆地壳和岩石圈地幔下，亏损的软流圈地幔携带着早期俯冲的部分脱水的蚀变洋壳和俯冲沉积物上升并部分熔融（图4b），从而形成了瓜伊马斯盆地玄武质玻璃样品独特的地球化学特征。加利福尼亚湾的拉张受早期法拉隆板块倾斜俯冲汇聚的影响，明显不同于位于大陆内部、受地幔柱影响的红海等新生洋盆（图5）。
图4. 瓜伊马斯盆地地幔演化概念图
图5. 瓜伊马斯盆地与红海（a）微量元素及（b）Th/Yb vs. Nb/Yb对比图
该研究主要受国家自然科学基金（41890812, 42276067）与南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项（GML2022006）资助，已发表于国际期刊《Chemical Geology》。
论文信息：Ge Zhen-Min (葛振敏), Huang Xiao-Long* (黄小龙), Xie Wei* (颉炜), Tobias W. H？fig, Yang Fan (杨帆), Yu Yang (于洋), S. Khogenkumar Singh, 2024. Metasomatized mantle source of nascent oceanic crust in the Guaymas Basin, Gulf of California. Chemical Geology, 643, 121836.
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