南太平洋近海山链的成因:成分异质地幔向洋脊流动的结果

南太平洋近洋脊海山链的成因研究

学术背景

海洋中的海山链(seamount chains)长期以来被认为是地幔柱(mantle plume)活动的产物,例如著名的夏威夷-皇帝海山链。然而,太平洋中的大多数海山并没有显示出年龄递进的特征,且体积较小,这表明它们可能并非由地幔柱形成。近年来,研究表明,仅有约18%的太平洋板内火山活动与地幔柱有关。因此,科学家们开始探索其他可能的机制来解释这些非地幔柱成因的海山链的形成。

南太平洋的Pukapuka海山链(Pukapuka Ridge, PPR)是一个典型的近洋脊海山链,其形成机制尚未完全明确。该海山链位于南太平洋超级隆起区(South Pacific Superswell, SPS),延伸约3000公里,从Tuamotu高原北部一直延伸到东太平洋隆起(East Pacific Rise, EPR)。Pukapuka海山链的火山活动年龄从约2750万年前到560万年前不等,且年龄递进并不线性,这表明其并非由固定的地幔柱形成。因此,研究Pukapuka海山链的成因对于理解非地幔柱海山链的形成机制具有重要意义。

论文来源

这篇论文由Pengyuan GuoFangyu ShenDongyong Li等来自中国科学院海洋研究所、青岛海洋科学与技术试点国家实验室、中国海洋大学等机构的科学家共同撰写。论文于2024年10月3日在线发表在Geology期刊上,标题为《Ridgeward flow of compositionally heterogeneous mantle produces near-ridge seamount chains in the South Pacific》。该研究得到了中国国家自然科学基金和山东省科技厅的资助。

研究流程与结果

研究流程

  1. 样品采集与分析
    研究团队对Pukapuka海山链和东太平洋隆起(EPR)13°S–23°S段的玄武岩样品进行了详细的地球化学分析。样品包括9个来自Pukapuka海山链的玄武岩样品和29个来自EPR的洋中脊玄武岩(MORB)样品。此外,研究还分析了7个来自Garrett转换断层(GTF)的玄武岩样品。

  2. 地球化学分析
    研究团队对样品进行了主量元素、微量元素、Sr-Nd-Pb-Hf放射性同位素以及Fe稳定同位素的分析。Fe同位素分析是本研究的一个亮点,因为Fe是地幔矿物(如橄榄石、单斜辉石和斜方辉石)的主要元素,其同位素分馏在主要熔融过程中有限,因此Fe同位素的变化可以反映不同地幔岩性的贡献。

  3. 数据处理与模型构建
    研究团队通过对比Pukapuka海山链和EPR玄武岩的地球化学数据,构建了一个地幔流动模型,解释了Pukapuka海山链的形成机制。该模型假设地幔中存在成分不均一的物质,这些物质在洋脊吸力(ridge suction)的作用下向洋脊流动,并在流动过程中发生减压熔融,形成海山链。

主要结果

  1. Pukapuka海山链的地球化学变化
    研究发现,Pukapuka海山链的玄武岩样品显示出显著的地球化学变化,从东太平洋隆起轴向西,样品的富集组分逐渐减少。这种空间变化被解释为地幔中成分不均一的物质在向洋脊流动过程中发生减压熔融的结果。

  2. Fe同位素的变化
    Pukapuka海山链的玄武岩样品显示出较高的δ56Fe值(+0.14‰到+0.26‰),而EPR的MORB样品和GTF的玄武岩样品的δ56Fe值较低(+0.05‰到+0.16‰)。这种Fe同位素的变化进一步支持了地幔中存在成分不均一的物质,且这些物质在流动过程中逐渐消耗。

  3. 地幔流动模型
    研究团队提出了一个地幔流动模型,解释了Pukapuka海山链的形成机制。该模型认为,地幔中存在低熔点的富集物质(如交代成因的辉石岩)和难熔的橄榄岩基质。在远离洋脊的地方,富集物质在较厚的岩石圈下优先熔融,形成富集的熔体。随着地幔物质向洋脊流动,剩余的难熔物质在较薄的岩石圈下进一步熔融,形成逐渐贫化的熔体。这一过程导致了Pukapuka海山链玄武岩的地球化学变化。

结论与意义

  1. 科学价值
    该研究首次通过详细的地球化学分析,揭示了Pukapuka海山链的形成机制,并提出了一个地幔流动模型,解释了非地幔柱海山链的成因。这一发现不仅深化了我们对洋脊附近海山链形成机制的理解,还为解释太平洋中广泛分布的非地幔柱海山链提供了新的思路。

  2. 应用价值
    该研究的结果对于理解地幔动力学、板块构造以及洋脊附近的火山活动具有重要意义。此外,该研究还为未来的海洋地质勘探提供了新的地球化学指标,特别是Fe同位素的应用,为识别地幔中的不同岩性提供了新的工具。

研究亮点

  1. 新颖的地球化学分析方法
    该研究首次将Fe同位素分析应用于洋脊附近海山链的研究,揭示了Fe同位素在识别地幔岩性中的潜力。

  2. 创新的地幔流动模型
    研究团队提出的地幔流动模型不仅解释了Pukapuka海山链的形成机制,还为解释其他非地幔柱海山链的成因提供了新的理论框架。

  3. 重要的科学发现
    该研究揭示了地幔中成分不均一的物质在洋脊吸力作用下的流动和熔融过程,为理解洋脊附近的火山活动提供了新的视角。

总结

该研究通过详细的地球化学分析和创新的地幔流动模型,揭示了南太平洋Pukapuka海山链的形成机制,为理解非地幔柱海山链的成因提供了新的思路。这一研究不仅具有重要的科学价值,还为未来的海洋地质勘探提供了新的地球化学指标。