（通訊員 鄭勇）我校地球物理與空間信息學(xué)院鄭勇教授及其團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所陳赟副研究員、廣州地球化學(xué)研究所徐義剛院士、德國(guó)地球科學(xué)中心（GFZ）袁曉暉等，在Nature 子刊《Communications Earth & Environment》上發(fā)表了題為《Translithospheric magma plumbing system fossilized in the Emeishan large igneous province》的文章，博士生汪思學(xué)為第一作者，鄭勇教授、陳赟副研究員為共同通訊作者。
大火成巖省（Large Igneous Province）是指以短時(shí)（小于幾個(gè)百萬(wàn)年）、巨量噴發(fā)（覆蓋面積大于十六萬(wàn)平方公里）為特征的富鎂鐵質(zhì)噴出巖、侵入巖構(gòu)成的大規(guī)模巖漿巖建造。一般認(rèn)為如此短時(shí)、巨量的高溫巖漿作用與地幔柱活動(dòng)有關(guān)，其涉及地球內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制、大陸生長(zhǎng)與超大陸演化、大規(guī)模成礦、生物環(huán)境災(zāi)變等諸多前沿研究領(lǐng)域。地幔柱活動(dòng)伴隨有顯著的高溫異常，以熱效應(yīng)引起的地震波低速異常為線(xiàn)索，已有大量研究利用全球/區(qū)域地震成像對(duì)現(xiàn)今地幔柱分布及形態(tài)進(jìn)行多尺度刻畫(huà)。然而，對(duì)于形成年代久遠(yuǎn)的大火成巖省而言，由于地幔柱活動(dòng)引起的熱效應(yīng)已經(jīng)耗散殆盡，因此在現(xiàn)今地幔柱探測(cè)中行之有效的、熱效應(yīng)主導(dǎo)的地球物理異常已不再存在；而且由于板塊運(yùn)動(dòng)，大火成巖省與地幔柱活動(dòng)時(shí)期的深部地幔在空間上不再對(duì)應(yīng)，從而為利用地球物理方法探測(cè)古地幔柱作用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。迄今為止，對(duì)古地幔柱作用的識(shí)別，多依據(jù)噴發(fā)前的地表隆升、放射狀巖墻群、巖漿組分特征、火山年代學(xué)等地質(zhì)、地球化學(xué)信號(hào)，地球物理探測(cè)多側(cè)重提供底侵等局部關(guān)鍵結(jié)構(gòu)方面的制約。大火成巖省的深部根源，即現(xiàn)今巖石圈內(nèi)究竟是否仍可保留地幔柱作用巖漿系統(tǒng)、其規(guī)模及形態(tài)如何等系列重要科學(xué)問(wèn)題，仍有待高分辨率地球物理成像予以回答。
峨眉山大火成巖省是我國(guó)境內(nèi)第一個(gè)獲得國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛認(rèn)可的大火成巖省，也是全球范圍內(nèi)研究起步較早、研究程度最高的大陸溢流玄武巖省之一。ChinArray寬頻帶密集臺(tái)陣已對(duì)該區(qū)關(guān)鍵部位形成良好覆蓋，為開(kāi)展古地幔柱作用精細(xì)探測(cè)研究提供了良好契機(jī)（如圖1所示）。
圖1 峨眉山大火成巖省大地構(gòu)造位置與地震臺(tái)站分布圖
為此，研究團(tuán)隊(duì)基于ChinArray臺(tái)陣、區(qū)域固定臺(tái)網(wǎng)等寬頻帶地震資料，開(kāi)展區(qū)域面波頻散和遠(yuǎn)震接收函數(shù)波形的貝葉斯蒙特卡洛聯(lián)合反演，構(gòu)建了峨眉山大火成巖省高分辨率橫波速度模型（水平分辨約30 km），取得了如下重要進(jìn)展：
圖2 峨眉山大火成巖省巖漿系統(tǒng)立體圖（由地震波速變化梯度圈定）
（1）發(fā)現(xiàn)峨眉山大火成巖省下方，存在一個(gè)孤立的、貫穿巖石圈的高速異常體（S波異常幅值>4 %，圖2），該異常體自淺表延伸至~135 km，并在不同深度層次，顯示出不同的幾何分布與異常幅值（圖2中，A,B,C,D,E各段所示），特別是在淺部地殼（深度<20 km）還存在一定程度偏離（圖2中A段所示），但在立體形態(tài)上仍總體呈現(xiàn)一個(gè)完整的、近垂直圓柱體，主體直徑>100 km。結(jié)合前期二維綜合地球物理剖面在地殼結(jié)構(gòu)/組分特征等方面的系統(tǒng)約束，特別是該柱體恰位于峨眉山大火成巖省的內(nèi)帶，且所在位置方位各向異性極弱（SKS波分裂時(shí)差<0.35 s，甚至檢測(cè)不到分裂）、有苦橄巖零星出露等特征，推斷該貫穿巖石圈的柱形高速體為峨眉山大火成巖省的深部根源，即二疊紀(jì)峨眉山地幔柱作用固化于大火成巖省巖石圈中的巨型巖漿系統(tǒng)；
（2）在巖石圈地幔深度層次（深度>60 km部分），該高速異常體呈現(xiàn)為直立圓柱體（圖2中D、E段），此部分直徑為100-125 km，與理論計(jì)算給出的地幔柱尾部尺寸吻合，且其軸心在地表的投影恰對(duì)應(yīng)內(nèi)帶的核心（圖1、圖2中紅色五角星），推斷該區(qū)對(duì)應(yīng)地幔柱頭與上覆巖石圈直接接觸并發(fā)生強(qiáng)烈相互作用的部位。綜合前期研究揭示該區(qū)存在高密度特征，以及本項(xiàng)研究揭示其形態(tài)直立、方位各向異性弱、速度垂向變化小等特征，整體上指示該異常體為地幔柱巖漿快速注入的結(jié)晶，且在垂直上升過(guò)程中未經(jīng)歷充分的分異作用；
（3）結(jié)合數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)、全球主要大火成巖省主噴發(fā)期板塊運(yùn)動(dòng)速率的統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步表明巖石圈中直立的巖漿系統(tǒng)指示地幔柱與巖石圈相互作用時(shí)期的板塊運(yùn)動(dòng)速率很小，以保證擁有充分的時(shí)間、足夠的熱量發(fā)生強(qiáng)烈作用而形成大火成巖省。
該項(xiàng)研究首次刻畫(huà)了大火成巖省的深部根源，給出了地幔柱作用在現(xiàn)今巖石圈中固化的巨型巖漿系統(tǒng)的全景式立體圖像，為地幔柱動(dòng)力學(xué)、大火成巖省的巖漿系統(tǒng)等重要科學(xué)問(wèn)題提供了新的約束。該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFF0802600)，國(guó)家自然科學(xué)基金(42274082, 42030108)等項(xiàng)目的資助。
文章信息：
Sixue Wang., et al (2024). Translithospheric magma plumbing system fossilized in the Emeishan large igneous province. Communications Earth & Environment, 5:458, https://doi.org/10.1038/s43247-024-01631-0
鄂公網(wǎng)安備 42011102004169號(hào)
