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SA: 印度洋Reunion和Comores热点下的深地幔热管道系统成像研究:垂直柱状通道-水平层状延展区
2023-08-14 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  过去的几十年里,全球尺度的地震成像研究揭示了下地幔底部的复杂结构。其中,位于非洲和太平洋板块之下核幔边界(Core-Mantle Boundary,简称CMB)处的两个大型低剪切波速省(Large Low-Shear Velocity Provinces,简称LLSVPs),尤为吸引广大学者们的目光。LLSVPs横向跨度可达数千公里(He and Wen, 2012; Ni and Helmberger, 2003),占据了CMB30%的面积(图1Garnero et al., 2016; Torsvik et al., 2010)。纵向形态上,既有研究认为LLSVPs是一整个大的低速异常体,并由CMB向上延伸几百甚至上千公里(Tsekhmistrenko et al., 2021);也有学者提出LLSVPs是由多条独立地幔柱聚成的簇状体,且这些地幔柱源于CMB上一个低速、可能是较高密度的薄层(小于200 km厚)(Davaille and Romanowicz, 2020)。此外,源自深部地幔LLSVPs等区域的地幔柱可以将下地幔物质输送至地表(Hofmann, 1997; Morgan, 1971)。 

1 全球大型低剪切波速省 (LLSVPs)、大火成岩省、金伯利岩及与深源地幔柱相关的活跃热点分布。红色实线勾画了非洲和太平洋LLSVPs的轮廓(Torsvik et al., 2010

  但对地幔柱的形态,以及地幔柱作为热物质通道的动力学过程的认识还存在颇多争议。基于地球动力学模拟实验,Griffiths and Campbell1990)提出了经典的蘑菇状柱头-细长柱尾(直径小于200 km)的经典热地幔柱模型。而新的层析成像结果表明,地幔柱在下地幔可能是粗柱状(直径约500-800 km)的结构(French and Romanowicz, 2015)。经典模型要求下地幔底部存在热异常,而单纯的热异常却不能形成粗柱状结构,需要热-化学异常的参与。进一步,针对位于非洲板块下的地幔柱,英国牛津大学地球科学学院的Tsekhmistrenko 学者等提出了树形结构模型(详细内容可参阅报道《印-非地幔柱树形结构的地震层析成像研究。相比下地幔粗柱状的地幔柱模型,该模型更为细致地刻画了1000 km以上的结构,并指出次生地幔柱的结构。这一模型得到了前人研究不同程度的支持(Chang and van der Lee, 2011; Emry et al., 2019; Liu and Leng, 2020)。 

  近期,Wamba et al.2023)通过全波形反演(Full-Waveform Inversion, 简称FWI)约束了位于印度洋西部的ReunionComores等热点及其周边区域(图2A)的下地幔速度结构(约800 km深度至CMB),结合该区域已有的地壳及上地幔速度模型SEMINDO(深至约1200 kmWamba et al., 2021),他们提出新的全地幔尺度三维速度结构模型(SEMINDO-WM3)。模型的二维纵向剖面(图2B-2E)显示,该区域自CMB至约1000 km的深度范围存在至少三条相互独立、近直立的低速柱状体;在约1000660 km的深度范围,这些柱状体向水平方向弯折并延展,形成水平层状低速体;自660 km以上,可以观测到更为直立的低速通道与地表热点火山相连接。三维模型更好地展示了这些结构的完整形态(图3),可以看到三条独立的低速柱状结构在约1000 km的深度处与水平低速层状延展区(Low-Seismic Velocity Ponding Zone,简称LSVPZ)相接。LSVPZ的形成可能与该层较低的粘滞度有关(Liu and Leng, 2020; Rudolph et al., 2015)。 

2 A 研究区主要热点(黑色实心圆)及地质构造分布。CR: Carlsberg Ridge(卡尔斯伯格洋中脊); CIR: Central Indian Ridge(中印度洋中脊); SWIR: Southwest Indian Ridge(西南印度洋中脊); SEIR: Southeast Indian Ridge(东南印度洋中脊); RTZ: Rodrigues Triple Junction(罗德里格斯三联点); ASZ: Andaman subduction zone(安达曼俯冲带); SSZ: Sumatra subduction zone(苏门答腊俯冲带); JSZ: Java subduction zone(爪哇俯冲带)。(B)沿ReunionCrozet热点连线的地幔剪切波速度扰动剖面图。(C)沿ReunionKerguelen热点连线的剖面图。(D)沿ReunionMarion热点连线的剖面图。(E)沿ComoresMarion热点连线的剖面图(Dongmo Wamba et al., 2023 

3 Reunion下方CMB850 km深度范围三维剪切波速度模型。(A)自东向西视角;(B)自南向北视角;(C)自北向南视角。顶部横截面的白色粗线代表地表地质构造的投影,红色粗线代表印度洋中脊的投影,绿色锥形指示了ReunionComores热点的位置(Wamba et al., 2023

  大体来说,热管道系统从深部地幔到地表热点分为五层(图4):(1)自CMB至约1000 km深度的粗柱状通道,将LLSVP的热物质向上输送;(2)自约1000 km660 km深度的水平层状延展区,接收来自下方的热物质,形成供给源;(3)自约660 km250 km深度的细柱状通道,将热物质继续向上输送;(4)自约250 km100 km深度的水平层状延展区,接收下方热物质,形成新的供给源;(5)自约100 km深度至地表的细枝状通道,将热物质输送至地表。值得注意的是,位于层(1)、(3)和(5)的近垂直通道并不一定处于同一水平位置,事实上他们可能会在横向上发生较大的偏移。这种垂直柱状通道-水平层状延展区交错的结构(图4),类似于地壳内火山系统的岩墙与岩床交织的结构,只不过尺度更大,贯穿了整个地幔。该结构模型与树形结构模型(Tsekhmistrenko et al., 2021)存在一定的相似性:两个模型均指出自CMB上涌的物质在下地幔顶部(约1000 km以上)出现水平方向的延展,并在约660 km附近由于粘滞度的跳变形成直径较小的次生柱状通道。不同的是,树形结构模型认为CMB以上数百至上千公里的深度范围是一个分叉、树根状的结构,而该模型则认为在这个深度范围存在多条独立的柱状通道;同时树形结构模型并没有揭示出层(4)的水平层状延展区和层(5)的直径更小的枝状通道。 

4 地幔热管道系统概念图(Wamba et al., 2023

  基于地幔速度结构模型(SEMINDO-WM3)提出的热管道系统模型,有助于解析区域性地震学问题。例如,已有地球化学研究提出,Reunion热点火山与中印度洋中脊(Central Indian Ridge,简称CIR)可能存在内在关联(Furi et al., 2011)。新的热管道系统模型指出,此二者可能在下地幔源于同一个地幔柱,进一步支持了以上观点。二维纵向剖面显示,在Reunion下方约660250 km深度范围(层(3))存在一个直立的柱状低速通道,与上方的LSVPZ(层(4))相连(图2B-2D)。在200 km深度的横截面上,可以观测到层(4)的LSVPZ向东侧的CIR和西侧的Comores热点(Mascareignes盆地)方向延伸(图5A)。结合地球化学观测,这表明Reunion热点和CIR在下地幔可能由同一个地幔柱提供热物质,只不过由于LSVPZ的水平延展性质,导致热物质在地表不同位置喷出。那么ReunionComores热点是否在下地幔相连、由同一地幔柱供给热物质呢?或者说向西延展的LSVPZ是否与地表的Comores热点相连,并向其输送深部热物质呢?地球化学研究显示,ReunionComores热点处的玄武岩在地球化学性质上存在一定的差异,反映向西延展的LSVPZ可能并没有与Comores热点源区连接,而Comores热点可能与其西侧的东非裂谷系是同源的(Class et al., 2005)。 

5 与图3类似,展示自南向北视角Reunion下方中地幔至上地幔三维剪切波速度模型。(A1700 km200 km深度范围;(B1700 km300 km深度范围;(C1700 km400 km深度范围(Wamba et al., 2023

  新的热管道系统模型也可为解析全球性的地震学焦点争议提供新的观测和证据。例如,该模型支持LLSVPs是由多条独立地幔柱组成的,而非一个整体的大型低速异常体;热点火山作用是由CMB处的热物质通过管道系统输送至地表而引起的,而不仅是上地幔对流的地表响应等。同时也应注意,受区域观测数据覆盖限制,该模型的普适性还有待进一步针对不同地区的研究加以验证。 

  主要参考文献 

  Chang S J, Van der Lee S. Mantle plumes and associated flow beneath Arabia and East Africa[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 302(3-4): 448-454. 

  Class C, Goldstein S L, Stute M, et al. Grand Comore Island: a well-constrained “low 3He/4He” mantle plume[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 233(3-4): 391-409. 

  Davaille A, Romanowicz B. Deflating the LLSVPs: bundles of mantle thermochemical plumes rather than thick stagnant “piles”[J]. Tectonics, 2020, 39(10): e2020TC006265. 

  Emry E L, Shen Y, Nyblade A A, et al. Upper mantle Earth structure in Africa from fullwave ambient noise tomography[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2019, 20(1): 120-147. 

  French S W, Romanowicz B. Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots[J]. Nature, 2015, 525(7567): 95-99. 

  Füri E, Hilton D R, Murton B J, et al. Helium isotope variations between Réunion Island and the Central Indian Ridge (17°-21°S): New evidence for ridge–hot spot interaction[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2011, 116(B2). 

  Garnero E J, McNamara A K, Shim S H. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth's mantle[J]. Nature Geoscience, 2016, 9(7): 481-489. 

  Griffiths R W, Campbell I H. Stirring and structure in mantle starting plumes[J]. Earth and Planetary Science Letters, 1990, 99(1-2): 66-78. 

  He Y, Wen L. Geographic boundary of the “Pacific Anomaly” and its geometry and transitional structure in the north[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2012, 117(B9). 

  Hofmann A W. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism[J]. Nature, 1997, 385(6613): 219-229. 

  Liu H, Leng W. Plumetree structure induced by lowviscosity layers in the upper mantle[J]. Geophysical Research Letters, 2020, 47(1): e2019GL086508. 

  Morgan W J. Convection plumes in the lower mantle[J]. Nature, 1971, 230(5288): 42-43. 

  Ni S, Helmberger D V. Seismological constraints on the South African superplume; could be the oldest distinct structure on Earth[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 206(1-2): 119-131. 

  Rudolph M L, Leki? V, Lithgow-Bertelloni C. Viscosity jump in Earth’s mid-mantle[J]. Science, 2015, 350(6266): 1349-1352. 

  Torsvik T H, Burke K, Steinberger B, et al. Diamonds sampled by plumes from the core–mantle boundary[J]. Nature, 2010, 466(7304): 352-355. 

  Tsekhmistrenko M, Sigloch K, Hosseini K, et al. A tree of Indo-African mantle plumes imaged by seismic tomography[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(8): 612-619. 

  Wamba M D, Montagner J P, Romanowicz B. Imaging deep-mantle plumbing beneath La Réunion and Comores hot spots: Vertical plume conduits and horizontal ponding zones[J]. Science Advances, 2023, 9(4): eade3723.原文链接 

  Wamba M D, Montagner J P, Romanowicz B, et al. MultiMode Waveform Tomography of the Indian Ocean Upper and MidMantle Around the Réunion Hotspot[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2021, 126(8): e2020JB021490. 

  (撰稿:王拓,李杨陈凌/岩石圈室)

 
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