南秘鲁中部火山带岛弧岩浆岩的铀系不平衡研究

Although the past 20 years have seen significant progress on the studies of U-series disequilibria of arc lavas, there are still debates on how the disequilibria are produced. The two dominate explanations (fluid addition from subducted slab to the mantle wedge or by in-growth melting of the metasomatic mantle) both have their limits. Fluid addition model can explain 226Ra and 238U excesses, but cannot explain the 231Pa excess in arc lavas. On the other hand, in-growth melting can explain the 231Pa excess, but it cannot produce the correlations between 226Ra excess and so call “fluid-indices” (such as Sr/Th and Ba/Th). The key issue is how to understand the relationship between U-series disequilibria and “fluid indices”..This project will measure U-series data for young andesites from the Central Volcanic zone in South Andes. The purpose is to study the effect of magma evolution on U-series disequilibria and the reasonable explanation for the relationship between U-series data and “fluid indices”. Furthermore, this project will combine geochemical data of global arc lavas and geophysical parameters of convergent margins (especially subduction rate) to establish the physical model forming U-series disequilibria in arc lavas. If the project is funded and successfully performed, it will provide systematic U-series disequilibrium study on samples from a single volcano, which is extremely are and necessary in the literature. This will also provide important constrains on the mechanism of forming U-series disequilibria of arc lavas and the time-scales of magmatism in the subduction zone.

铀系不平衡是研究俯冲带岩浆作用的独特工具，但是关于岛弧岩浆岩的铀系不平衡产生的机制仍然存在争议。目前文献中的两种解释都存在一些问题。俯冲板块流体加入地幔楔可以解释226Ra和238U过剩，但是它不能解释231Pa过剩。地幔的增长熔融模型可解释231Pa过剩，但是它不能解释226Ra过剩和流体指标(如Sr/Th和Ba/Th)的关系。解决这个争议的关键是理解壳内岩浆演化对铀系不平衡和流体指标的影响。.本项目拟测量南美安第斯山中部火山带安山岩的铀系不平衡，研究在增厚陆壳中岩浆演化对流体指标和铀系不平衡数据之间的关系的影响。在此基础上，结合全球岛弧岩浆岩的地球化学数据和俯冲带的地球物理资料，特别是俯冲速率，寻求岛弧岩浆岩铀系不平衡的物理机制。本项目将提供目前非常缺乏的对来自同一火山的样品的系统研究，将为解释全球岛弧岩浆岩铀系不平衡的产生机制和俯冲带岩浆作用的时间尺度提供重要的制约。

关于岛弧岩浆岩铀系不平衡的解释一直有两个争议，一是俯冲流体加入并且改造地幔楔的解释，二是地幔增长熔融的解释。解决这个问题的关键在于如何正确理解铀系不平衡数据和主微量元素之间的关系。为此，需要了解岩浆演化对铀系不平衡的影响，秘鲁的Andagua岩浆提供了非常好的机会。本项目有两个研究计划：1，测量南秘鲁Andagua Valley火山岩的铀系不平衡; 2，寻求全球岛弧火山岩铀系不平衡的产生机制。本项目成功测量Andagua岩浆的铀系不平衡数据，建立了基于地球物理资料的熔融模型，成功解释了铀系不平衡数据。.因为智利-秘鲁海沟缺乏大量沉积物，Andagua岩浆的铀系不平衡不能是沉积物循环产生的，特别是230Th和231Pa过剩不能由此产生。因此，231Pa和230Th的过剩说明地幔熔融的时间必须达到3.3万年。在此时间尺度下，任何由于俯冲物质再循环产生的226Ra过剩都消失了。在Andagua岩浆中观察到的226Ra过剩只能由地幔增长熔融产生。基于铀系不平衡和主微量元素之间的关系，特别是随着岩浆演化发生的系统变化，我们认为所有的观察最有可能是地幔产出的岩浆在地壳深度和中酸性熔体发生混合的结果。这个岩浆分异应该是在地壳深度发生的。相反，最好的解释是地幔增长熔融和后面的岩浆混合产生的结果。这个过程可以解释226Ra的过剩以及和所谓流体指标（Sr/Th和Ba/Th ）之间的正相关关系。因此，地幔楔熔融的时间尺度应该接近于231Pa的半衰期 (~33 ka)，而在Central Andes的地壳中岩浆演化的尺度还需要几千年。

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