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研究焦点:美国黄石热点——到底是不是地幔柱?

已有 6911 次阅读 2012-4-22 22:13 |个人分类:SEDI|系统分类:论文交流| Yellowstone, hotspot, mantle, plume

研究焦点:美国黄石热点——到底是不是地幔柱?

 

(翻译 周春银;原文作者 Matthew J. Fouch;来源:Geology

 

 

from WikipediaYellowstone hotspot

 

板内热点(intraplate hotspots),通常表现为随地质年代递进喷发的中心,长期以来被认为起源于深部上升的炽热而具浮力的地幔物质所组成的圆柱状的地幔柱,它甚至深达核幔边界(e.g. Morgan,1971;译者注:Morgan1971年正式提出plume的概念,见Nature原文)。从地幔动力学的角度来看,沿大洋岩石圈分布的热点具有一个深部地幔柱源是显而易见的,因为对流失稳(instability)产生于边界层位置(即核幔边界),大洋岩石圈相对于大陆岩石圈更薄更容易穿透,而且巨大的板块内部下面的上地幔流应该比板块边界处的简单得多。因此地幔柱模型非常适用于大洋热点的追踪,如夏威夷-皇帝海山(Hawaiian-Emperor)、马克萨斯(Marquesas)、佛得角(Cape Verde)体系,尤其是在了解了它们延伸至更深部的热地幔的地震学特征之后(e.g. Wolfe et al.,2009)。

 

但是,将深部地幔柱简单解释为大陆热点的源头却面临更大的挑战。一个显著的例子就是黄石-蛇河平原(Yellowstone-Snake River PlainYSRP)体系,部分观测得出的结论认为YSRP起源于一个深部地幔柱正在不断上升的柱尾(e.g. Armstrong et al.,1975; Smith and Braile,1994; Camp,1995; Pierce and Morgan,2009)YSRP是一个呈地质年代递进的流纹质火山岩组合,其年龄至少可以追溯至12百万年以前(Shervais and Hanan,2008),并且其运动和北美板块现今的移动速度是一致的(e.g. Pierce and Morgan,1992)。而且,连续相伴生的玄武质火山作用具有高3He/4He比值(e.g. Graham et al.2009)以及较高的区域大地水准面(e.g. Smith and Braile,1994)也指示着深部地幔源。

 

关于YSRP体系起源的各种争论持续了几十年,但是已有的大量数据并非都支持深部地幔源之说,在某些情况下甚至与其相反。岩石学证据指示了上地幔源(e.g. Carlson and Hart,1987; leeman et al.,2009)。构造和动力学模型包括对流卷曲模型(convective roll, Humphreys et al.2000)、递进裂谷模型(propagating rift, Christiansen et al.,2002)、边缘驱动对流模型(edge-driven convection, King,2007)、岩石圈控制模型(lithospheric control, Tikoff et al.,2008)以及俯冲板片控制的上升流模型(subducted slab-controlled upwelling, Faccenna et al.,2010)。然而当每个模型来解释YSRP体系的各个方面时,要对该地区建立起一个综合概念模型则仍然非常困难。Kelbert等(2012)展示了非常重要而有趣的结果,为YSRP体系下的深部岩浆上升体系提供了重要的新证据。

 

Kelbert等(2012)的3-D电导模型是由EarthScope USArray Transportable ArrayTA)(http://www.usarray.org)的大地电磁(MT)数据而建立的。他们的图像显示高导电地壳和上地幔区,其中导电性最高的是中央蛇河平原下面的上地幔顶部并一直延伸至大约100 km深度。但是Kelbert及其同事们发现在黄石下面是低导值,因此他们认为与蛇河平原地区相关的黄石火山口下面的下地壳和上地幔顶部中部分熔融程度要小很多。

 

USArray TA地震体的孔径可以为完成Kelbert等的新3-D MT模型提供足够的分辨率,同时也在更深的深度探测了地幔(e.g. Lin et al.,2010; Obrebski et al.,2010; Schmandt and Humphreys,2010; Wagner et al.,2010; James et al.,2011; Sigloch,2011; Burdick et al.,2012)。这些模型显示在整个YSRP下面存在一个明显的地震波速强烈减小的地带,与YSRP地壳和延伸至大约125 km深度甚至更深的上地幔中的部分熔融区一致,和广泛分布的区域性第四纪玄武质火山作用也一致。但是,与Kelbert等(2012)所发现的黄石下面的深部地壳和上地幔顶部中的低导相反,地震波速在黄石下面最低说明部分熔融程度高。显然,还没有任何深部采样体波成像模型显示,在黄石下面具有可以延伸至深部下地幔的由地幔柱而导致地震波速减小的连续管道的确凿证据。

 

深部地幔柱模型所面临的一个巨大挑战就是YSRP热点正好分布于一个长期活动的俯冲体系中。地幔柱如何能在一个具有极大的动力学复杂性的区域中存在呢?部分概念模型提出存在直接的板片-地幔柱相互作用,其中当深部地幔柱遇到俯冲板片的某个裂缝时,会在板片上形成一个弱化区域甚至穿过板片(e.g. Obrebski et al.,2010)。还有一种情况,上升的地幔柱会遇到俯冲的Juan de Fuca板片暴露的南端,或者卷入东边海沟向西的后退和Farallon板片的解体。这些模型都难于解释板片的固有强度和由于俯冲作用而整体强烈下降的地幔流域。

 

或者,复杂的俯冲驱动的地幔动力学过程可能在产生热点和其他区域性火山作用中具有重要的作用。有一个并不含有深部地幔柱的概念模型,地幔流在Juan de Fuca板块的一个近水平的、滞留的断块附近流动,该板块的东缘正在黄石下面,这与层析成像模型是一致的。深部地幔在该下沉板片残余附近的流动将形成整个YSRP下面的上升地幔,并且还可以解释哥伦比亚河洪流玄武岩的构造岩浆作用以及和YSRP火山作用同时代的High Lava Plains的连续火山活动(e.g. James et al.,2011; Sigloch,2011)。连续的板块驱动形成的上升流将消耗黄石玄武岩高3He/4He比值源区的下地幔岩石,并形成更深部的强地温梯度,该地温梯度可以解释大约900 km深度甚至更深深度的低地震波速。该模型或许还可以解释高区域大地水准面,如果这是由动力学作用(e.g. Moucha et al.2009)而非深部正浮力源所形成的。这一概念模型的某些部分可以直接由数值模拟而得出(e.g. Faccenna et al.,2010)。

 

在较浅的深度,Kelbert等的结果为板内热点的上升体系提供了重要的新证据。其中一种可能性就是Eagar等(2011)针对High Lava Plains/central Cascades地区所提出的模型。在该地区可观测到东Cascades下地壳和上地幔顶部具有高导体,但是在Newberry热点附近导电性降低,这里是High Lava plains的最西段(Patro and Egbert,2008)。高导地区还具有高Vp/Vs,而Newberry下的低导区也具有较低的地壳Vp/VsEagar et al.,2011)。综合而言,这些地球物理证据与一个远离相对活跃的火山作用的壳内部分熔融区是一致的,这说明现今的热点火山作用代表了一个缺乏地壳熔融的区域。Kelbert等的结果也说明地壳和上地幔中熔体的大量横向运输作用可能是大陆岩石圈热点相关的岩浆上升体系演化的一个重要部分。

 

总之,哥伦比亚河洪流玄武岩、High Lava Plains以及黄石-蛇河平原体系在地表所形成的大量而广泛的构造岩浆体系需要一个地幔动力学的整体构架来解释,而不是由一个简单的深部地幔柱来解释。一些前沿的成果可以帮助我们来建立一个改进的关于该地区的概念模型:

(1)       提供关于高3He/4He比值玄武岩源区深度的进一步证据;

(2)       得出区域尺度的地壳Vp/Vs和电导模型,这些模型可以解释文中所提的High Lava Plains/Cascadia地区观测结果。

(3)       增进对高区域大地水准面的进一步认识。USArray的新层析成像模型应该在其中具有意义。

(4)       加强对区域性地幔流区的约束。一部分地幔流动图像可以利用大陆尺度的地震各向异性数据来观测(e.g. Lin et al.,2010; Zandt and Humphreys,2008),但是它们只能提供地幔上部大约400 km范围的流动的粗略信息。

(5)       综合各种成像技术,包括地震学的、重力的以及大地电磁数据,不论是通过直接的联合解释还是正/反演模拟方法。一个主要的挑战在于物理参数(如密度,传导率,地震波速)间的转换。

(6)       继续努力开发下一代地球动力学数值模型,这些模型会将EarthScope数据和区域构造与火山历史综合起来。目前这一方向的研究已经展开(e.g. Liu and Stegman,2011)。

 

综合以上这些新的地球物理的、地质学的以及地球化学数据,将提高我们对黄石热点及其与区域构造岩浆体系的关系的认识,以及对世界范围内大陆热点的形成和演化的认识。

 

 

原文引用:Matthew J. Fouch, The Yellowstone Hotspot: Plume or Not? Geology, May 2012; v. 40; no. 5; p. 479–480; doi: 10.1130/focus052012.1. 地址:http://geology.geoscienceworld.org/content/40/5/479.full open access article!!)

 

参考文献(略):以下仅列文章中所介绍的Morgan1971)提出地幔柱(mantle plume)的论文以及本文所重点介绍的Kelbert等(2012)的文章

 

Kelbert, A., Egbert, G.D., and deGroot-Hedlin, C., 2012, Crust and upper mantle electrical conductivity beneath the Yellowstone Hotspot Track: Geology, v. 40, p. 447–450, doi:10.1130/G32655.1.

 

Morgan, W.J., 1971, Convection plumes in the lower mantle: Nature, v. 230, p. 42–43, doi:10.1038/230042a0.



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