海洋所在非地幔柱成因的海山形成機(jī)制研究中獲新進(jìn)展
近日,中國科學(xué)院海洋研究所大洋巖石圈與地幔動(dòng)力學(xué)課題組郭鵬遠(yuǎn)副研究員及其合作者在海山的成因方面取得創(chuàng)新性認(rèn)識(shí),提出并驗(yàn)證了“不均一地幔在快速擴(kuò)張的大洋巖石圈下脊向流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生海山/海山鏈”的重要科學(xué)假說,為理解全球海山的成因提供了全新視角。相關(guān)成果發(fā)表于地質(zhì)學(xué)期刊GEOLOGY。
上世紀(jì)六、七十年代提出的地幔柱假說(Wilson, 1963; Morgan, 1971)可以很好地解釋年齡漸變的海山鏈(夏威夷-皇帝島鏈)以及體積較大的海底高原(Ontong Java高原)的成因。然而,沉寂在大洋之下的數(shù)以萬計(jì)的海山大多沒有此類特征,它們既沒有年齡漸變的現(xiàn)象,體積也很小。因此,“非地幔柱成因的海山是如何形成的”這一重要科學(xué)問題一直懸而未決。
Hillier等人(2007)發(fā)現(xiàn)全球99%以上的海山形成于在正在生長的大洋巖石圈上,由此猜想這些小海山的形成可能與巖石圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)。因?yàn)榇笱髱r石圈在快速擴(kuò)張時(shí),近脊區(qū)域下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“大斜坡”,沿著“大斜坡”脊向流動(dòng)的地幔物質(zhì)容易發(fā)生減壓熔融從而形成區(qū)域廣闊的海山/海山鏈;相反,大洋巖石圈在慢速擴(kuò)張時(shí),近脊區(qū)域沒有產(chǎn)生“大斜坡”,不利于發(fā)生減壓熔融也不會(huì)形成區(qū)域廣闊的海山/海山鏈。基于此,郭鵬遠(yuǎn)等提出了“不均一地幔在快速擴(kuò)張的大洋巖石圈下脊向流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生海山/海山鏈”的科學(xué)假說。

不同大洋巖石圈結(jié)構(gòu)對(duì)海山形成的區(qū)域影響示意
為了驗(yàn)證這一科學(xué)假說,團(tuán)隊(duì)首先對(duì)南太平洋(快速擴(kuò)張板塊)的Pukapuka海山鏈海山玄武巖進(jìn)行了系統(tǒng)的地球化學(xué)研究。數(shù)據(jù)表明Pukapuka海山的地幔源區(qū)非常不均一,這些海山的時(shí)空分布和系統(tǒng)性成分變化一致說明,它們的地幔源區(qū)發(fā)生了自西向東(向洋脊的方向)的流動(dòng),推測該不均一地幔最終會(huì)流到洋脊之下進(jìn)而影響洋脊玄武巖的成分。為了證實(shí)這一推測,科研人員進(jìn)一步對(duì)與Pukapuka海山鏈相交的東太平洋13-23°S洋中脊段玄武巖進(jìn)行了地球化學(xué)分析研究。結(jié)果顯示,交匯區(qū)的洋脊玄武巖確實(shí)有顯著的地球化學(xué)異常,充分驗(yàn)證了提出的這一科學(xué)假說。

Pukapuka海山分布圖(A);其形成時(shí)間和空間的相關(guān)關(guān)系圖(B)
“不均一地幔脊向流動(dòng)產(chǎn)生海山/海山鏈”假說描述了,當(dāng)不均一地幔在快速擴(kuò)張的大洋巖石圈之下流動(dòng)時(shí),由于洋脊的吸引作用會(huì)使其沿著大洋巖石圈底部的“大斜坡”向洋脊方向流動(dòng),從而導(dǎo)致不均一地幔持續(xù)減壓熔融(圖3)。隨著不均一地幔的脊向流動(dòng),源區(qū)地幔中易熔富集組分逐漸被熔融、抽離,最終產(chǎn)生的巖漿噴發(fā)至海底所形成的海山就具有年齡和成分漸變的特征。

不均一地幔在快速擴(kuò)張的大洋巖石圈之下流動(dòng)過程中發(fā)生減壓熔融,易熔富集組分逐漸被熔融、抽離源區(qū),產(chǎn)生的熔體噴發(fā)至海底形成Pukapuka海山鏈
該論文第一作者和通訊作者為中國科學(xué)院海洋研究所郭鵬遠(yuǎn)副研究員。合作者包括自然資源部第一海洋研究所沈芳宇博士、中國海洋大學(xué)李東永博士、自然資源部第二海洋研究所趙陽慧博士、中國科學(xué)院海洋研究所工程師王曉紅和段夢(mèng)、嶗山實(shí)驗(yàn)室國坤博士和牛耀齡研究員、夏威夷大學(xué)John Sinton教授。本研究得到了國家自然科學(xué)基金和山東省科技廳項(xiàng)目資助。
相關(guān)論文:Pengyuan Guo*, Fangyu Shen, Dongyong Li, Yanghui Zhao, Lipeng Zhang, Xiaohong Wang, Meng Duan, Kun Guo, John Sinton, Yaoling Niu. Ridgeward flow of compositionally heterogeneous mantle produces near-ridge seamount chains in the South Pacific. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52299.1
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