近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境與島礁生態(tài)全國重點實驗室夏少紅研究員團隊聯(lián)合日本東北大學，在南海晚新生代巖漿與流體活動成因機制研究方面取得了重要進展，相關研究成果發(fā)表于Science Bulletin《科學通報》期刊上。研究員夏少紅為論文第一和通訊作者，副研究員茍濤為共同通訊作者，副研究員趙芳、副研究員范朝焰以及日本東北大學教授趙大鵬為共同作者。
南海作為西太平洋最大的邊緣海，其形成和演化一直是地質(zhì)學界的熱點問題。南海被認為是在中生代古太平洋板塊俯沖的基礎上，經(jīng)過新生代巖石圈張裂和海底擴張而形成的。然而，南海在裂后期，尤其是海底擴張停止后，經(jīng)歷了廣泛而強烈的晚新生代巖漿活動，這一現(xiàn)象在全球張裂陸緣中極為罕見，其成因機制一直存在爭議。許多研究將南海晚新生代巖漿活動歸因于海南及鄰區(qū)下方的地幔柱作用。然而，由于缺乏典型地幔柱的大火成巖省和年齡遞變的海山鏈，且深部成像未呈現(xiàn)出經(jīng)典地幔柱的幾何特征，海南地幔柱的存在及其對巖漿活動的影響一直存在爭議。
為解決這一問題，研究團隊運用遠震各向異性層析成像、深度學習生成的三維地殼模型以及多道地震反射數(shù)據(jù)，從深到淺系統(tǒng)研究了南海北部陸緣不同尺度的殼幔三維結(jié)構(gòu)，精細刻畫了海南地幔柱復雜的上升路徑和上涌過程，并探討了深部地幔過程與上覆地殼之間的潛在耦合關系。
研究發(fā)現(xiàn)，海南地幔柱上涌物質(zhì)在兩個深度范圍內(nèi)發(fā)生了橫向擴展：一是在地幔過渡帶，由于相變和溫度降低，地幔柱上涌物質(zhì)的熱化學狀態(tài)發(fā)生變化，受到一定阻礙而發(fā)生橫向擴展，但徑向各向異性主要為負值，表明物質(zhì)整體仍為向上的流動方向；二是在巖石圈尺度，雷瓊地區(qū)各向異性表現(xiàn)為負值，表明地幔柱物質(zhì)主要為垂向上涌，導致該地區(qū)火山噴發(fā)活動；而遠離雷瓊地區(qū)各向異性表現(xiàn)為正值，表明地幔柱物質(zhì)主要沿北東-南西方向發(fā)生橫向擴展。
此外，海南地幔柱引發(fā)的巖漿活動與經(jīng)典的夏威夷地幔柱存在顯著不同。其巖漿侵入體的特征不再是大火成巖省和年齡遞變的海山鏈，而是隨著上覆地殼伸展減薄程度和沉積地層厚度的不同呈現(xiàn)出獨特的特征。在地殼較厚的地區(qū)，地幔柱物質(zhì)傾向于在下地殼中底侵，形成高速體；而在地殼顯著減薄且沉積層較厚的區(qū)域，巖漿更易穿透地殼，導致巖床、巖脈等侵入體在沉積地層中廣泛發(fā)育，并誘發(fā)海底流體噴發(fā)活動。
研究還發(fā)現(xiàn)，海南地幔柱的形態(tài)和巖漿活動模式與南海的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境密切相關。南海在張裂之前的晚中生代時期，經(jīng)歷了古太平洋板塊的復雜俯沖過程，目前仍被俯沖帶所環(huán)繞。研究表明，南海深部地幔過渡帶和下地幔中存在顯著的俯沖物質(zhì)痕跡，大量地殼物質(zhì)和流體通過俯沖進入地球深部，榴輝巖等物質(zhì)被卷入上升的地幔柱中。因此，海南地幔柱表現(xiàn)出熱化學地幔柱的幾何形態(tài)特征，榴輝巖等折返物質(zhì)的加入削弱了上涌的正浮力，使得大部分巖漿物質(zhì)在巖石圈層面發(fā)生橫向流動，經(jīng)局部聚集侵入到地殼和沉積層中，形成了現(xiàn)今南海晚新生代巖漿活動的分布態(tài)勢。
該研究不僅揭示了海南地幔柱在塑造南海張裂陸緣殼幔和地表地質(zhì)過程中的重要作用，還為理解巖漿和海底流體活動的分布提供了新的視角。這一發(fā)現(xiàn)對于南海地區(qū)海底資源的勘探和地質(zhì)災害的評估具有重要意義，同時也為地幔柱活動和巖漿流體系統(tǒng)演化提供了獨特的見解，有助于更好地理解地球深部過程與淺表地質(zhì)響應的耦合關系。
相關研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目、中國科學院南海海洋研究所自主部署項目、以及廣東省基礎研究與應用基礎研究項目等支持。
圖1南海北部（a）多道地震反射數(shù)據(jù)、（b）深度學習生成的三維地殼模型、以及(c)遠震各向異性層析成像地幔模型的垂直剖面。（b）、（c）中背景顏色分別代表P波速度（Vp）和擾動值（dVp）。（d）中黑色線段指示了剖面位置。（c）中水平和豎直短線分別表示P波徑向各向異性正值(水平Vp>垂直Vp)和負值(水平Vp<垂直Vp)，短線長度表示幅值。(d)中粉色區(qū)域指示了晚新生代玄武巖分布。
圖2 遠震各向異性層析成像模型的三維視圖。
圖3南海北部的多道地震反射剖面。（a-d）對應圖1d中的A-D剖面。該圖顯示了海底火山、巖床、熔巖流和熱液噴口的分布，注意到在火成巖侵入體上方出現(xiàn)了氣體聚集、煙囪狀區(qū)和沉積物變形。T60（紅色曲線）對應于下中新統(tǒng)地層的底部。
論文信息：Shaohong Xia*,Tao Gou*,Fang Zhao,Dapeng Zhao,Chaoyan Fan. Late Cenozoic magmatism of the South China Sea driven by the Hainan mantle plume. Science Bulletin,2024.?
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.12.010
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