洋中脊与地幔柱热点相互作用研究进展

地表热点是认识地幔柱假说以及地幔柱动力学的窗口,发生在洋脊与热点之间的相互作用则是了解地球上两大动力系统(板块构造和地幔柱)的直接联系的最有利地区。研究洋脊-热点之间的相互作用对于揭示地幔动力学、热点附近洋壳构造的演变以及与热点密切相关的洋中脊处的岩浆热液活动具有重要的意义。在肯定地幔柱假说的基础上,对洋脊-地幔柱(热点)的模拟实验以及三大洋中不同扩张脊与热点相互作用的最新研究作了系统的介绍和评述,指出室内模拟实验以及地质学、岩石学、地球化学和地球物理学(特别是高分辨率的地震技术)的结合研究将是本领域研究的发展趋势。

新特提斯演化的热点与洋脊相互作用：西藏南部晚侏罗世-早白垩世岩浆作用推论

雅鲁藏布蛇绿混杂岩代表了新特提斯洋盆闭合的地表残余。本文在测试数据基础上,综合分析了目前雅鲁藏布江蛇绿混杂岩研究中取得的比较可信的晚侏罗世-早白垩世玄武岩的地球化学数据,并对其进行了较为详细的区域对比分析以讨论涉及新特提斯演化的地球动力学过程。结果表明:(1)雅鲁藏布蛇绿混杂岩带吉定洞拉村玄武岩、错拉山口北部玄武岩为大洋中脊玄武岩(MORB)型,错拉山口南部玄武岩为洋岛玄武岩(OIB)型,萨嘎桑单林玄武岩既包括OIB型,又包括MORB型;(2)在东西延伸约1500km的雅鲁藏布蛇绿混杂岩带中,至少可能存在OIB、MORB(包括N-MORB、E-MORB)和岛弧玄武岩IAB三种类型的晚侏罗世-早白垩世玄武岩。不活动的高场强元素比值(如Nb/Y,Zr/Y等)指示雅鲁藏布蛇绿混杂岩带中部仁布、杯玛让、吉定洞拉村和错拉山口北部地区以及中西部萨嘎地区的MORB型玄武岩中的亏损组分很可能来源于深部亏损的地幔柱源区。微量元素地球化学模拟表明,雅鲁藏布蛇绿混杂岩带OIB型玄武岩可能主要来源于石榴石二辉橄榄岩源区中等程度(10%～20%)的部分熔融,而MORB型玄武岩主要来源于尖晶石二辉橄榄岩源区中等程度(7%～25%)的部分熔融,IAB型玄武岩所代表的源区熔融深度以中部较浅而东西两端较深为特点,其中中部得几、杯玛让、吉定等地的IAB很可能与尖晶石二辉橄榄岩源区的部分熔融有关,而东部和西部达几翁IAB的熔融源区可能残留有石榴石。结合该带报道的He同位素数据和矿物学观察,以及在喜马拉雅带新获得的古地磁数据,可以认为热点与洋脊的相互作用是对晚侏罗世-早白垩世新特提斯演化的一种很可能的地球动力学解释。需要强调,虽然该模式可以较好地解释目前在藏南观察到的晚侏罗世-早白垩世岩浆作用特点和性质,但因资料有限,还需要做许多非常细致的工作来证实或否定。

四川木里混杂带海山玄武岩辉石斑晶中的熔体包裹体:甘孜-理塘古特提斯洋内热点与洋中脊相互作用的记录

川西木里混杂带位于扬子板块西缘,向西与甘孜-理塘弧前混杂带相接,位于一个大地构造上十分重要的部位。我们详细野外地质调查揭示,木里混杂带由不同类型的大洋板片地层组成,其中海山岩石组合保存相对完整,枕状熔岩与上覆碳酸盐岩帽接触关系以及海山斜坡滑塌堆积组合完整清晰。海山枕状玄武岩具斑状结构,主要斑晶矿物相为单斜辉石,少量基性斜长石,基质为微晶斜长石和辉石。原生熔体包裹体主要寄存于单斜辉石斑晶中,形状不规则,大小20~50μm。熔体包裹体内部组成和结构简单清晰,主要为不透明玻璃质,有的熔体包裹体含圆形-椭圆形收缩气泡,个别熔体包裹体壁可见子矿物结晶析出。对单斜辉石斑晶及其中熔体包裹体的地球化学分析结果揭示,木里混杂带中保留了OIB和E-MORB两类海山玄武岩,其原始岩浆源区为石榴子石二辉橄榄岩低程度熔融。其中,OIB型海山玄武岩(样品HS5)是地幔柱轴部岩浆活动的产物,而E-MORB型海山玄武岩(样品HS2)是某种程度的热点(地幔柱)与洋中脊相互作用的产物。磷灰石U-Pb测年结果和古生物化石证据表明,木里混杂带中的海山形成于石炭纪末-二叠纪初(302±11Ma)。这表明甘孜-理塘(松潘-甘孜)古特提斯分支洋在石炭纪末或更早时期就已经发育。在该分支洋盆内发育地幔柱以及地幔柱(热点)与洋中脊的相互作用。

从西南印度洋中脊轴部形态及其两侧沉降速率变化探讨热点与洋中脊相互作用

基于高精度地形数据,将西南印度洋中脊(11.88°E—66.75°E)分为6个区域,按不同区域分析洋脊轴部形态及其两侧基底沉降曲线的变化,由此探讨西南印度洋中脊的岩浆活动及其受热点影响的机制。结果显示:①对于整个西南印度洋中脊,轴部隆起占13.38%,轴部裂谷占82.8%,平坦过渡形占3.82%,其中19°E,36°E,41.2°E,43.7°E,50.4°E和64.5°E等处为较集中的洋脊轴部隆起;②埃里克辛普森—英多姆转换断层之间的区域(39.4°E—45.77°E)显示出异常浅的轴部裂谷和异常小且南北不对称的基底沉降速率,这表明埃里克辛普森—英多姆转换断层之间的区域是热点对洋中脊影响较为明显的区域,南侧较北侧异常小的基底沉降速率表明热点与洋中脊的相互作用主要表现为热点岩浆从洋中脊南部向上流动到岩石圈底部,然后与岩石圈发生相互作用。

洋中脊水-岩相互作用的结果

本文对洋中脊热液活动及伴随的水-岩作用进行了观测,研究范围遍及整个扩张带和开阔大洋、后弧及沉积埋藏等构造环境的全部区域。对几处热液活动的海山也进行了调查。存在的两个显著问题是:用地球化学方法和地球物理手段。对海洋热液总量进行的估测结果之间相差至少5倍;所提出的成因机制没有一个能圆满地解释在轴部喷流体系中观察到很大的盐度(氯化物)变化范围。

南大西洋慢速洋中脊与地幔柱相互作用研究进展与展望

揭示洋中脊与地幔柱(脊-柱)之间的可能联系为认识地球深部物质组成与深部地幔动力学过程提供了重要窗口,也是过去40多年以来固体地球科学研究领域的前沿与热点。在绵延八万多千米的全球洋中脊系统中,部分洋脊片段会受到地幔柱作用不同程度的影响。研究显示,大西洋的形成演化与地幔柱作用之间具有密切联系,尤其在南大西洋的裂解、打开演化过程中,南大西洋中脊系统始终与其周围地幔柱(如圣赫勒拿、阿森松、特里斯坦、高夫、发现等地幔柱)之间具有不同程度的相互作用关系,导致沿脊出露玄武岩在地球化学组成上呈现出明显的不均一性特征。本文在系统性总结脊-柱相互作用研究现状与南大西洋地区地质构造演化特征的基础上,详细阐述了南大西洋中脊13.2°S~24.2°S地区玄武岩的岩石地球化学特征;揭示了南大西洋中脊研究区的岩浆演化、地幔源区性质;指示出圣赫勒拿地幔柱物质向南大西洋中脊系统传播的主要方向;圈定了圣赫勒拿地幔柱对南大西洋中脊系统地幔源区性质在沿脊方向的影响范围(14.2°S~20.4°S);同时推测了南大西洋中脊系统与圣赫勒拿地幔柱之间受地幔柱影响的软流圈地幔物质在大洋岩石圈底部的空间展布。最后本文提出了关于南大西洋地区脊-柱相互作用领域现存的科学问题与未来的研究方向。

西南印度洋洋盆演化和岩浆地球化学印迹

西南印度洋中脊(SWIR)平均扩张速率约为14 mm/yr,是全球洋中脊系统的重要组成端元,因其具有慢速-超慢速扩张特征,引起全球科学家的广泛关注。基于前人对SWIR的综合研究成果,从构造和岩浆作用两个角度出发,系统地回顾了SWIR的形成和演化历史,探讨了岩浆的分布特征和地幔不均一性成因。SWIR的形成始于冈瓦纳大陆的裂解,中段洋脊区域(26~42°E)是印度洋最早开启的窗口,历经多次洋脊跃迁和扩展作用形成了斜向扩张展布,多分段的构造格局。地幔热点在冈瓦纳大陆裂解过程中扮演了关键角色,并对SWIR的洋底地貌和岩浆作用具有显著影响,其中Bouvet和Marion热点在SWIR的西段和中段岩浆均留下了地球化学印迹。SWIR西段岩浆除却Bouvet热点影响之外表现出与大西洋-太平洋型玄武岩相似的同位素地球化学特征。在SWIR中段,39~41°E附近的岩浆具有显著的DUPAL异常特征,与冈瓦纳大陆的初始形成、裂解紧密相关。受俯冲改造的中-新元古代的造山带岩石圈地幔拆沉是造成SWIR中段地幔不均一性的重要根源。在SWIR东段,46~52°E区域内的局部岩浆组成异常,推测具有大陆地壳物质混染的成因。而在Melville转换断层以东,洋脊形成时间最晚,玄武岩的地幔源区受到了富集组分的交代作用,其同位素组成与相邻的中印度洋中脊(CIR)和东南印度洋中脊(SEIR)地幔源区具有亲缘性。

全球三大洋底高原重力异常与地壳厚度特征及对比研究

翁通爪哇高原、凯尔盖朗高原与沙茨基海隆是全球三大洋底高原,是大量岩浆喷发到地表的结果,火山面积分别达1.90×10^6、1.25×10^6、0.53×10^6km^2。本文详细分析了该三大洋底高原的地形、剩余地幔布格重力异常(residual mantle Bouguer anomaly, RMBA)与重力反演的相对地壳厚度,并结合地质与地球化学特征约束进行对比研究。结果显示,翁通爪哇高原、凯尔盖朗高原与沙茨基海隆分别高出周围海底约4.3、5、4km,相应的地幔布格重力异常最大变化值分别为250、330、200mGal,以及相应的相对地壳厚度变化分别为11、13、9km,表明形成三大洋底高原的岩浆量远远大于正常洋中脊的岩浆量。此外,三大洋底高原皆形成于洋中脊附近。Nd、Pb、Hf同位素比值分析表明,翁通爪哇高原的玄武岩组分为洋岛玄武岩;凯尔盖朗高原大部分类似于洋岛玄武岩,并含有洋中脊玄武岩组分;沙茨基海隆的玄武岩组分主要为东太平洋海隆正常洋中脊玄武岩,却又存在少量位于全球洋岛玄武岩范围内。这些特征揭示了三大洋底高原可能形成于"地幔柱-洋中脊相互作用"。对此本文提出了两种模式:一为洋中脊被地幔柱拖拽至其上方;二为洋中脊之下的软流圈受到地幔柱影响,从而产生超常熔融与超厚地壳。

太平洋大塔穆火山研究进展及对巨型洋底火山成因的启示

坐落在西北太平洋的沙茨基海隆为地球上第三大洋底高原,而其中的大塔穆火山被称为"地球上最大的单体火山".本文综述了国际科学团队近期对大塔穆火山进行的多次海洋地质与地球物理调查,阐述"地幔柱"与"洋中脊"两种端元成因假说各自的重要证据以及争论的焦点问题.沙茨基海隆自南西向北东年龄逐渐变年轻、火山规模变小,是支持"地幔柱"假说的直接证据.大塔穆火山上巨厚块状熔岩、低坡度盾状单体火山构造代表地幔柱头岩浆大规模快速喷发,而奥里火山和希尔绍夫火山枕状熔岩则反映从地幔柱头过渡到地幔柱尾的过程中岩浆作用减弱.另一方面,大塔穆火山水下喷发,岩石样品显示洋中脊玄武岩的特征,以及地壳厚度与平均速度负相关性(反映化学异常来源),这些证据与"地幔柱"假说的预测不符,因而更支持"洋中脊"假说.然而"洋中脊"假说不能解释大塔穆火山单个来源如何输出如此大量的岩浆.再一方面,由人工地震长剖面观测到的莫霍面与艾里重力均衡模型所预测的莫霍面基本吻合,但此观测本身并不能区别更符合哪一种端元模型.总之,大塔穆火山既有"地幔柱"的特征,又有"洋中脊"的特征,单靠一种端元模式无法解释所有的重要观测.因此,"地幔柱-洋中脊相互作用"可能是一种更合理的替代模型,但地幔柱与洋中脊相互作用的具体过程及机制等重要问题目前尚未解决,仍需进一步研究.获取高精度地磁异常等观测资料以及开展三维地球动力学模拟将实质性地推动对沙茨基海隆等洋底高原形成机制的研究.