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【前沿報道】Nature Geoscience:大塔穆火山成因新解
2019-12-29 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  大塔穆火山(Tamu Massif)是位于西北太平洋Shatsky隆起的一個巨大的中生代海底火山。早期,根據該海區地震調查資料認為大塔穆海山的結構類似于盾狀火山,可能是地球上最大的單體火山。近年來,隨著一批新的地球物理調查數據的深入解釋,研究人員對大塔穆火山的成因機制提出了新的解釋,認為其與海底擴張有關。 

  一般認為大多數海洋高原都是巨大的玄武巖火山,Sager et al.2013)通過多道地震剖面探測和綜合大洋鉆探(IODP)巖石樣品,對位于西北太平洋Shatsky隆起的大塔穆地塊開展結構研究,認為大塔穆地塊是一個巨大的火山,火山中心噴出的巨大熔巖流形成了一個寬闊的盾狀形狀。這種模式下,巨量的火山噴發與地幔柱的巖漿活動有關,不會在洋底形成線性磁異常條帶。然而結合新觀測的磁異常數據,Sager et al.2019)對2015年(FK51005航次)新采集的磁異常數據和早期53個航磁的數據進行了重新處理,獲得了大塔穆地區更為明確的磁異常特征,通過對不同巖漿噴發模式(集中式或線性式)的磁異常特征做進一步對比,提出大塔穆火山的形成與海底擴張緊密相關,為大塔穆火山的形成演化提供了新的解釋模型。 

  大塔穆火山及周邊存在正負變化的線型和曲線型磁異常條帶(圖1),早期研究認為負--負的磁異常特征是一次磁性反轉事件,在一個磁性倒轉周期內形成。在新的研究中,Sager等認為之前的研究忽略了大塔穆火山南北兩翼復雜的磁異常模式?;诰鶆虼呕P偷慕忉尫椒m然能夠解釋大塔穆火山中心正兩翼負的異常特征,但該模型計算的異常與磁異常條帶的吻合性差,且該模型反演獲得的磁傾角和磁偏角與早白堊世太平洋古地磁場也不一致。他們用傅里葉域的反演方法(Parker and Huestis,1974)來估算地殼磁化強度(圖2),結果包含了與磁異常相同的大部分線性異常特征,與巖心等揭示的古地磁數據和巖心磁化強度等也有很好的符合度。 

1大塔穆地區地形及磁異常條帶(Sager et al., 2019)

2大塔穆地區磁異常及磁化強度模型(Sager et al., 2019)

  新的數據分析表明大塔穆地區磁異常以磁條帶特征為主導,并可以用大洋中脊海底擴張模式來進行解釋,即:大塔穆火山的海底擴張成因說。通過該工作,他們重建了磁異常條帶的演化(圖3),重現了太平洋、IzanagiFarallon三大板塊的運動關系。 

  新的海底擴張成因模型認為,大塔穆雖然確實是一個巨大的火山,但并不像早期認為的盾狀火山。早期地震推斷大塔穆淺層長達幾十千米的熔巖流層,其解釋是類比大陸溢流玄武巖省的模式,二者屬于不同的環境,僅從二維地震剖面難以追蹤單獨的熔巖流。對比兩個模型(圖4),巖漿噴發模型類似于大陸溢流玄武巖的大量噴發,產生垂向上時間連續的巖漿流;擴張模型認為巖漿的時代展布是橫向變化的,變化的地殼厚度反映了中脊巖漿噴發的變化。此外擴張模型也可以很好的解釋大塔穆地區與周圍的地殼沒有明顯的不連續性特征,自由空間重力異常也非常小,是地殼均衡的一種表現,也暗示該地區沒有大型的中心質量聚集現象。 

3 大塔穆磁異常形成重建,底圖為磁異常圖,自上而下分別說明不同時間磁異常條帶的位置及其代表的擴張過程(Sager et al., 2019)

4 大塔穆火山成因的兩種模式圖。上:巖漿集中噴發模型,下:洋中脊擴張模型(Sager et al., 2019)

  磁異常的研究揭示Shatsky隆起的形成均與海底擴張有關,是伴隨地幔熔融在大洋中脊的裂隙性巖漿集中噴發形成的。世界上很多洋底高原也都形成于擴張脊附近,其中一些保留有磁異常條帶特征,這也意味洋底擴張可能是洋底高原形成的一種普遍機制。 

  如果Shatsky隆起的巖漿來源于地幔柱,巖漿活動則與海底擴張緊密相關,且受控于海底擴張。與此前將海底高原與大陸溢流玄武巖的類比研究也需要重新考慮,這也引發了關于地幔柱在大型海底高原形成中的作用以及地幔過程與淺層構造關系等研究的思考(Whittaker, 2019)。 

  Sager教授的團隊在大塔穆地區開展了長期的工作,隨著海洋地球物理調查的豐富和深入,對該地區的科學認識也在不斷修正和深化,該文章也是基于最新地球物理調查資料的研究成果,對全球洋底高原的研究具有重要的意義。   

  主要參考文獻 

  Parker R L, Huestis S P. The inversion of magnetic anomalies in the presence of topography[J]. Journal of Geophysical Research, 1974, 79(11): 1587-1593.鏈接 

  Sager W W, Huang Y, Tominaga M, et al. Oceanic plateau formation by seafloor spreading implied by Tamu Massif magnetic anomalies[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(8): 661-666.鏈接 

  Sager W W, Zhang J, Korenaga J, et al. An immense shield volcano within the Shatsky Rise oceanic plateau, northwest Pacific Ocean[J]. Nature Geoscience, 2013, 6(11): 976–981.鏈接 

  Whittaker J M. Plateaus from seafloor spreading[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(8): 587-588.鏈接 

  (撰稿:徐亞/油氣室)

 
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