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刘仲兰等PNAS & Geology—数值模拟揭示洋中脊扩张速率对轴向岩浆房形成的控制作用

发布时间:2022-12-28来源:浏览次数:

大洋板块扩张中心是全球最主要的火山活动带,其产生的大洋地壳覆盖超过60%的地球表面。然而,地幔熔融的岩浆如何增生成洋壳并没有完全被人们理解。 随着近些年海洋多道地震(MCSmulti-channel seismic)成像技术的发展,扩张中心下覆轴向壳内岩浆房AMLsAxial Melt Lens/ Axial Magma Chambers)的大小和深度等几何特征有了非常好的约束。地震数据揭示AMLs具有三个明显的特征:1)形状不规则,并且在三维空间上发生叠置和跃迁(Kent et al., 2000);2AMLs内部熔融程度不均一,由多个垂向叠置的水平岩席体组成(Carbotte et al., 2020);3)从全球尺度来看,快速扩张洋中脊的AMLs在洋中脊走向方向上连续分布(Carbotte et al., 2013),而慢速扩张洋中脊的AMLs仅有可能分布在每一个洋脊段中央(Singh et al., 2006)。这些观测甚至改变了人们对岛弧和板内岩浆系统的重新思考(Cashman et al., 2017)。有意思的是,具有这些特征的轴向岩浆房如何形成目前并没有理论机制。特别是,AMLs 内部水平分布的岩席体如何在伸展构造环境下形成?AMLs为什么会在快速扩张洋中脊沿轴连续分布?而在慢速扩张洋中脊仅在洋脊段中央集中分布?

针对以上问题,吉林大学“地球深部动力学创新团队*成员刘仲兰副教授与美国哥伦比亚大学Roger Buck 教授合作开展了系列数值模拟的理论研究。取得如下主要认识:

1)通过耦合模拟长时间尺度(~千年)的构造伸展和短时间尺度(~小时)岩浆侵位发现:岩墙侵位到一个已经被伸展的脆性岩石圈可以导致大洋地壳发生小幅度的挠曲和铅直方向的位移。这种位移导致了铅直应力的减小和主应力方向的旋转, 从而有可能为AMLs内部的水平岩浆侵位提供了合适的应力环境(1)




2)岩墙侵位引起的铅直应力减小幅度是在几个兆帕,因此这种机制导致的主应力方向旋转的前提条件是洋中脊处脆性层的静岩压力与岩浆的静水压力相近,即脆性层的平均密度与基性岩浆的密度相近。进一步利用地震波速结构获得的密度结构,数值计算的结果显示AMLs 仅仅能够发育在当脊轴处脆性岩石圈厚度小于4千米的洋脊段(图2)。


2. 不同扩张速率下AMLs形成所需的应力环境。a)三个不同扩张速率及有效洋壳厚度的案例中,一次岩墙侵位对地应力的影响。岩浆压强与围岩垂直应力大于0则表示有利于AMLs 的形成。(b)系统地显示了扩张速率和洋壳厚度对AMLs形成深度的影响。


3)耦合了上述力学模型与岩浆侵位的热效应、海水循环的冷却效果的数值模拟表明:AMLs的形成与分布受控于扩张速率:当扩张速率大于~50 mm/yr 时,AMLs能够在洋脊段的大部分位置发育,洋壳可以在原位增生;而当扩张速率小于~50 mm/yrAMLs只能在洋脊段中央发育,洋壳倾向于在洋脊段中央发生部分结晶,并释放潜热(图3)。计算预测的AMLs沿轴发育的长度与整个洋脊段长度的比值(LAML / L0)与已有的观测数据吻合(3)。该理论模型可以为超慢速扩张洋中脊洋壳厚度的异常不均一性(Li et al., 2015; Jian et al., 2017)提供可能的解释。未来也可能将上述的力学模型考虑到相关的三维地球动力学数值模拟中(Liao and Gerya., 2015; Liu and Gerya., 2022)。


3. (a)-(b) 展示了不同扩张速率洋中脊的AMLs 分布方式及与之相关的地壳增生方式。(c) 扩张速率控制AMLs沿轴发育的长度与整个洋脊段的比值(LAML / L0),绿色点为模型计算获得,五角星代表自然界观测数据。


  以上第一部分成果于20224月发表于国际地学期刊《GEOLOGY》上,第二部分和第三部分成果于近日发表于国际综合期刊《美国科学学院刊》(PNAS)上。刘仲兰是论文的第一作者,吉林大学是PNAS论文的唯一通讯和第一单位。该研究受到吉林大学创新团队(No. 2021TD-05)和美国自然科学基金(NSF-OCE-1654745)的资助。研究的详细信息请参照原文:

原文链接:

Liu Z, Buck W R. Magmatic sill formation during dike opening[J]. Geology, 2022, 50(4): 407-411. https://doi.org/10.1130/G49400.1

Liu Z, Buck W R. The spreading rate dependence of the distribution of axial magma lenses along mid-ocean ridges [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 2023, 120(1): 1-8.

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214048120


        *  吉林大学“地球深部动力学创新团队”是由2023澳门精准一码发财许文良教授负责的多学科交叉创新团队。该团队由具有地质学、地球物理学、计算矿物学、高压物理学、数值模拟等不同学科背景的10名教授,3名副教授组成。