南海大洋钻探及海洋地质与地球物理前沿研究新突破

南海是西太平洋地区规模最大且具有代表性的边缘海盆地之一。经过近几十年的研究积累,尤其是通过实施5个国际大洋钻探航次(1999–2018年)与国家自然科学基金委“南海深海过程演变”重大研究计划(2011–2019年),我国科学家获得了大量宝贵的第一手资料,取得了一系列创新进展与重大突破,标志着南海海洋地质与地球物理研究正走向国际前沿。重要研究成果包括:(1)新提出南海是“板缘张裂”盆地,与经典的大西洋型陆缘模式不同;(2)大洋钻探首次获取了基底玄武岩样品,结合中国在南海首次深拖地磁测量实验,精确测定了南海海盆玄武岩年龄,揭示南海海盆从东向西分段扩张;(3)大洋钻探结果发现南海陆缘岩石圈减薄之初岩浆迅速出现,未发现缓慢破裂造成的蛇纹岩出露;(4)发现南海扩张结束后仍存在大量岩浆活动,可能受控于多种构造与地幔因素;(5)地球化学证据与地球动力学模拟都显示南海岩浆的形成受到周边俯冲带的影响。目前我国的海洋地球科学正在进入崭新的发展阶段,有望以南海为基点,开始拓展到周边大洋,通过主导大型研究计划以及建设我国大洋钻探平台,以提升我国在南海、西太平洋与印度洋海洋地质科学研究的实质性影响力与引领地位。

西南印度洋中脊地质构造特征及其地球动力学意义

西南印度洋中脊(SWIR)增生的洋壳面积仅占印度洋的15%左右,但其具有比东南印度洋中脊和西北印度洋中脊更悠久而复杂的演化历史.基于已有的地质、地球物理和地球化学等资料,系统总结了SWIR的地质构造特征,并讨论了SWIR的演化过程、洋脊地幔的不均一性、洋脊周边海底高原成因等核心问题.SWIR地形中段高、东西两段低,空间重力异常基本与地形变化一致.按转换断层一级边界可将SWIR划分为20个一级段.SWIR的磁异常条带呈现两端渐进式分布和中段带状分布特征,对应洋脊的三期演化历史.SWIR的地幔源区极不均一,尤其是中新元古代造山带根部集中拆离的中段.源区地幔的不均一性与大陆裂解和洋脊演化过程密切相关.SWIR的东端与西北印度洋中脊和东南印度洋中脊的邻近洋脊段具有地球化学亲缘性,西端与大西洋中脊和南美洲—南极洲洋中脊的邻近洋脊段具有地球化学亲缘性,这与SWIR的渐近式扩张有关.SWIR周边海底高原普遍具有较大的地壳厚度,其成因除了陆壳基底之外,可能与热点火山作用、热点-洋脊相互作用或热点-三联点相互作用有关,目前尚未形成统一的认识.SWIR的形成演化及其作用域内的熔融异常(如海底高原)是冈瓦纳大陆裂解、残留岩石圈地幔、软流圈地幔和深部地幔热柱物质共同作用的结果.了解SWIR的演化过程对揭示冈瓦纳大陆的裂解过程和印度洋的演化具有重要意义.

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.

90Ma以来热点与西南印度洋中脊的交互作用:海台与板内海山的形成

本文研究了西南印度洋底地幔热点．洋中脊交互作用与海台、海山形成的关系．先利用板块重构确定了西南印度洋区域中热点与洋中脊相对位置及海台、海山的形成年代，然后通过水深异常和艾里均衡模式计算了相应热点的岩浆熔融通量．计算结果显示，自90Ma以来，马里昂（Marion）热点的活动可分为三个阶段：与古罗德里格斯（Rodrigues）三联点相互作用阶段（90～73．6Ma）、与西南印度洋中脊相互作用阶段（73．6～42．7Ma）及板内火山活动阶段（42．7～0Ma）．这三个阶段分别对应于德尔卡诺隆起（Del Cano Rise）的东部、中部和西部区域洋底海台的形成．马里昂热点的活动强度和周期性明显受到了热点离洋中脊距离的影响．马里昂热点的活动周期约为25Ma，长过夏威夷和冰岛热点的活动周期（约15Ma）．

南海成因:岩石圈破裂与俯冲带相互作用新认识

南海深部计划与国际大洋钻探航次取得了一系列创新进展与重大突破:1)发现南海陆缘岩石圈减薄之初未出现地幔蛇纹岩出露,且岩浆迅速出现;2)新提出南海不是"小大西洋",而是"板缘张裂"盆地,与经典的大西洋型"板内张裂"陆缘模式不同;3)揭示南海受到俯冲带的强烈控制,提出俯冲诱发地幔上涌并影响南海岩浆活动。