西太平洋大塔穆火山的重力導(dǎo)納分析以及對其形成機(jī)制的啟示?

陳文文, 胡敏章, 張錦昌, 林婧雪, 張旭博

(1.中國海洋大學(xué),山東 青島 266100; 2.中國地震局地震研究所,地震大地測量重點實驗室,湖北 武漢 430071;3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州),廣東 廣州 511458; 4.中國科學(xué)院南海海洋研究所,南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院,中國科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室,廣東 廣州 511458; 5.中國-巴基斯坦地球科學(xué)研究中心,中國科學(xué)院-巴基斯坦高等教育委員會,巴基斯坦 伊斯蘭堡 45320; 6.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 背景

火山作用將地球內(nèi)部物質(zhì)輸送到巖石圈,塑造了地表的構(gòu)造形態(tài)。地球上的火山作用主要分布在擴(kuò)張型板塊邊界(洋中脊)、匯聚型板塊邊界(島弧)以及與熱點有關(guān)的地區(qū)。強(qiáng)烈的熱點作用噴出大量巖漿到地表,形成面積超過十萬平方千米、地殼異常厚的火山區(qū)域,稱為大火成巖省(Large Igneous Province)[1]。

洋底高原(Oceanic Plateau)是一種常見的海底地質(zhì)構(gòu)造單元,多為寬廣的平頂海山,高幾千米,面積可達(dá)數(shù)十到數(shù)百萬平方千米,單個大火成巖省的體積達(dá)數(shù)百萬立方千米,具有異常厚的地殼[1]。據(jù)統(tǒng)計,目前已知的洋底高原總面積約占全球海洋地殼(洋殼)面積的5.11%[2]。作為大陸溢流玄武巖在海洋中的對應(yīng)物,洋底高原被認(rèn)為是由短時間內(nèi)大量的地幔巖漿噴發(fā)而成,在深海盆地中洋底高原是最顯著的大火成巖省[3-4]。然而,不同于大陸溢流玄武巖,洋底高原隱藏于大洋深處,避免了風(fēng)化侵蝕等對原始地質(zhì)現(xiàn)象的改造和破壞;并且,其受陸源巖石的污染較少,更能代表地幔源區(qū)的巖性特質(zhì)。因此,洋底高原是地球構(gòu)造演化歷史進(jìn)程中大規(guī)模巖漿活動的忠實記錄者,對研究地幔動力學(xué)甚至地球演化歷史具有重要意義。

洋底高原的形成機(jī)制至今仍沒有定論。過去幾十年來,前人已經(jīng)提出了幾種洋底高原的成因假說,如地幔柱模型、板塊模型、隕石撞擊等,但沒有一種假說可以完全解釋所有的主要觀測結(jié)果[5-12]。地幔柱模型(Plume Model)提出大型海底火山是由于深部地幔熱柱上升到巖石圈底部噴發(fā)巖漿而形成;而板塊模型(Plate Model)主張在地表板塊的擴(kuò)張邊界處(即洋中脊)淺部地幔減壓熔融噴發(fā)巖漿而促使大型海底火山形成。隕石碰撞成因由于缺乏證據(jù)而很少被學(xué)者接受。最新的全球三大洋底高原對比研究指出它們具有顯著的地形隆起、異常厚的地殼、負(fù)地幔重力異常,以及形成于洋中脊之上或附近等共性特征,將地幔柱與洋中脊過程結(jié)合起來對已有成因模型進(jìn)行修正,提出了地幔柱與洋中脊相互作用這個替代模型,是目前對洋底高原形成機(jī)制較為合理的解釋[13-14];但其具體動力學(xué)模式還停留在定性描述和概念模型的層面上。

沙茨基海隆(Shatsky Rise)位于西太平洋海底,在日本以東約1 600 km的公海區(qū),是一座典型的海洋大火成巖省[3-4],是現(xiàn)存地球上第三大的洋底高原,僅次于太平洋的翁通爪哇高原(Ontong Java Plateau)和印度洋的凱爾蓋朗高原(Kerguelen Plateau)。沙茨基海隆是由晚侏羅-早白堊期間(約147～126 Ma)大規(guī)?；鹕交顒铀纬蒣15-16],高約4 km,面積約5×105km2,體積近7×106km3。沙茨基海隆主要由幾座已停止活動的大型海底火山組成(見圖1),其中最大的那座名叫大塔穆火山(Tamu Massif),被譽(yù)為地球上最大的單體火山[15]。大塔穆火山是沙茨基海隆最早形成的部分,頂部較為平坦,水深約2 km,側(cè)翼坡度緩和,面積約3×105km2。

(500 m等深線間距的背景水深數(shù)據(jù)來自于聯(lián)合船測水深和衛(wèi)星測高重力異常數(shù)據(jù)反演的海底地形模型[25]。大塔穆火山是文中提到的“地球上最大的單體火山”[15],黑色虛線方框指示本文的大塔穆火山研究區(qū)。紅色實線表示磁異常條帶和斷裂帶,展示了區(qū)內(nèi)為洋中脊三聯(lián)點的構(gòu)造特征[19]。黑色實線表示跨越大塔穆火山的代表性人工地震測線[22,26]。紅色圓圈表示大洋鉆探取得火山基底巖石的鉆孔位置。左上角的小圖指示海隆在西太平洋的位置,位于日本、伊豆-小笠原-馬里亞納俯沖帶的東邊。Bathymetry data with 500 m contour are from satellite altimetry[25]. Tamu Massif is the Earth’s largest single volcano mentioned in the text[15]. Black dashed box highlights the study area of Tamu Massif. Red lines denote magnetic anomaly lineations and fracture zones, implying a triple junction of mid-ocean ridges[19]. Black line represents seismic survey across Tamu Massif [22, 26]. Red circles show the ODP and IODP sites that core igneous basement rocks. Inset in the upper left shows the location of Shatsky Rise in the west Pacific Ocean, and to the east of Japan and IBM subduction zones.)圖1 沙茨基海隆的測深與構(gòu)造圖Fig.1 Shatsky Rise bathymetry and tectonic map

沙茨基海隆具有時空分布連續(xù)的火山結(jié)構(gòu)、較薄的火山蓋頂沉積、良好的地磁場分布以及成熟的洋殼等特征,同時具有洋中脊三聯(lián)點(屬于一個古太平洋三聯(lián)點,由伊澤奈崎板塊、法拉龍板塊和太平洋板塊交匯而成)的構(gòu)造背景[9,10,13,15-24],是研究大型海底火山、洋底高原、海洋大火成巖省等形成機(jī)制的天然實驗室。

本文聚焦在沙茨基海隆內(nèi)最大的海底火山-大塔穆火山,在衛(wèi)星測高重力與海底地形觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,采用重力導(dǎo)納分析技術(shù)研究該火山的重力均衡特征,計算區(qū)內(nèi)洋殼厚度、巖石圈有效彈性厚度,并揭示火山底部載荷,從而探討其成因與動力學(xué)過程。通過這座譽(yù)為地球上最大火山的研究,有望加深對全球大型海底火山形成演化的基本規(guī)律的認(rèn)識和理解。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 重力導(dǎo)納分析方法

根據(jù)Airy均衡模型和巖石圈撓曲均衡模型[27-28],本文將基于理論模型計算的重力導(dǎo)納與基于實測海底地形與重力異常數(shù)據(jù)的觀測重力導(dǎo)納進(jìn)行對比分析,以研究海底構(gòu)造的均衡狀況。參考文獻(xiàn)[29],理論重力導(dǎo)納計算公式為:

Z(k)flex=2πG(ρc-ρw)e-kd(1-Φe(k)e-kt)。

(1)

式中:G為萬有引力常數(shù);ρc、ρw分別為地殼和海水密度;d為區(qū)域平均水深;t為平均地殼厚度;k=2π/λ為波數(shù),λ為地形波長,Φe(k)為巖石圈撓曲響應(yīng)函數(shù):

(2)

(3)

式中:ΔG(k)為重力異常的傅里葉變換;H(k)為地形的傅里葉變換;符號“*”表示復(fù)共軛;符號“〈 〉”表示在頻率域內(nèi)求周期平均。

重力導(dǎo)納分析過程中,主要涉及巖石圈有效彈性厚度Te,平均水深d,地殼密度三個參數(shù)的調(diào)整。胡敏章等[30]研究指出,在頻率域內(nèi)波長小于50 km的情況下,由于海底地形被巖石圈強(qiáng)度所支撐,不產(chǎn)生均衡補(bǔ)償,因此短波段(<50 km)理論重力導(dǎo)納不隨著巖石圈有效彈性厚度(Te)的變化而變化,但依然受地殼密度和平均水深參數(shù)影響,可在20～50 km波段中通過重力導(dǎo)納分析來先行測試模型最佳地殼密度和水深參數(shù)。

在比較大塔穆火山理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納的過程中,測試了不同的地殼密度(2 500～3 000 kg/m3)和水深(平均模型深度±500 m)。通過不斷調(diào)整地殼密度、水深參數(shù),計算理論重力導(dǎo)納,并將其與觀測重力導(dǎo)納進(jìn)行比較,當(dāng)兩者之差的均方根最小時,獲得相關(guān)參數(shù)的最佳估值。從圖2看出,當(dāng)理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納差值均方根最小的時候(1.475 mGal/km),最佳地殼密度和水深的數(shù)值分別是2 500 kg/m3和4 600 m。同樣,地殼密度參數(shù)和水深參數(shù)確定后,通過巖石圈取不同值時的理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納進(jìn)行對比,當(dāng)理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納之差的均方根達(dá)到最小時,可以確定最佳的巖石圈有效彈性厚度[29]。從圖3看出,當(dāng)理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納差值均方根最小的時候(3.318 mGal/km),大塔穆火山的最佳巖石圈有效彈性厚度是3 km。

(在海底地形20～50 km波段中,通過理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納的比較,確定模型最佳的地殼密度和水深。Determination of the model optimum crustal density and water depth is by fitting the observed and theoretical admittances at 20～50 km wave bands in seafloor topography.)圖2 模型最佳地殼密度和水深示意圖Fig.2 Model optimal values of crust density and water depth

圖3 大塔穆火山巖石圈有效彈性厚度誤差分析圖Fig.3 Error analysis of lithospheric effective elastic thickness of Tamu Massif

2.2 實驗使用數(shù)據(jù)與參數(shù)

本次研究使用到衛(wèi)星測高重力異常數(shù)據(jù)和海底地形數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)分析范圍見圖1中黑色虛線方框,包含整個大塔穆火山的主體部分。衛(wèi)星測高重力異常數(shù)據(jù)來自斯克利普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography),版本V23.1。海底地形數(shù)據(jù)是通過重力垂直梯度異常和船測水深聯(lián)合求得[31-32],數(shù)據(jù)空間分辨率為1′×1′。在計算巖石圈有效彈性厚度過程中,胡敏章等[30]通過測試不同的海底地形模型,發(fā)現(xiàn)聯(lián)合重力垂直梯度異常和船測水深數(shù)據(jù)構(gòu)建的海底地形模型最適用于洋殼重力均衡分析。

表1 大塔穆火山重力均衡分析地殼模型參數(shù)Table 1 Crustal Parameters for Isostasy analysis of Tamu massif

3 結(jié)果

3.1 大塔穆火山Airy均衡模型理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納對比

大塔穆火山(長寬約650 km乘以450 km)是沙茨基海隆中最大、最老的海底火山[10,15,17,18,22,26]。盡管大塔穆火山巨大,但是它的重力異常值很低(小于30 mGal)[14],這意味著火山大體達(dá)到了重力均衡狀態(tài)[33]?；贏iry均衡模型(公式(1)中Te=0的情況),計算得到的理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納的對比分析見圖4。導(dǎo)納結(jié)果顯示大塔穆火山的平均地殼厚度是11～17 km,這與實際地震觀測結(jié)果相符合[26]?；鹕胶５椎匦尾ㄩL(λ)大于160 km或者小于60 km(即波數(shù)1/λ,小于0.006 25或者大于0.016 67)的時候,處于重力均衡狀態(tài)。當(dāng)火山海底地形波長在60～160 km(波數(shù)在0.006 25～0.016 67)之間時,結(jié)果顯示觀測重力導(dǎo)納值明顯低于理論重力導(dǎo)納值,這意味著相對于Airy均衡模型該波段存在質(zhì)量缺失或者低密度區(qū);同時,也暗示著該地區(qū)的海底地形隆起可由低密度重力異常產(chǎn)生的浮力所支撐。

(黑色圓點表示觀測重力導(dǎo)納數(shù)據(jù)(帶誤差)。紅色虛線、點線、點虛線表示基于不同平均地殼厚度(t)的理論重力導(dǎo)納曲線。Filled black circles with error bars are observed admittances. Red dashed, dotted, and dash-dotted lines are theoretical admittances for different mean crustal thickness (t).)圖4 大塔穆火山Airy均衡模型理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納對比圖Fig.4 Comparison of gravity admittances from Airy isostatic model, and altimetry and bathymetry observations over Tamu Massif

3.2 大塔穆火山撓曲均衡模型理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納對比

圖5結(jié)果顯示大塔穆火山的巖石圈有效彈性厚度是1～3 km。這個低數(shù)值的巖石圈有效彈性厚度,意味著大塔穆火山形成于強(qiáng)度很弱的巖石圈上;考慮到其磁異常數(shù)據(jù)顯示的洋中脊三聯(lián)點構(gòu)造特征[18-19,24],進(jìn)一步指示了大塔穆火山形成于洋中脊之上。

(黑色圓點表示觀測重力導(dǎo)納數(shù)據(jù)(帶誤差)。紅色虛線、點線、點虛線表示基于不同巖石圈有效彈性厚度(Te)的理論重力導(dǎo)納曲線。Filled black circles with error bars are observed admittances. Red dashed, dotted, and dash-dotted lines are theoretical admittances for different lithospheric effective elastic thickness (Te).)圖5 大塔穆火山撓曲均衡模型理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納對比圖Fig.5 Comparison of gravity admittances from flexural isostatic model, and altimetry and bathymetry observations over Tamu Massif

3.3 大塔穆火山考慮底部載荷時的理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納對比

在上述均衡模型中考慮到底部載荷的影響,進(jìn)一步分析大塔穆火山中質(zhì)量缺失的問題。熱地幔物質(zhì)上升至地殼底部的殘留,或者熱異常等區(qū)域,形成局部的相對低密度區(qū)域,即為底部載荷,其浮力對海山有一定的支撐作用。以參數(shù)f定義底部載荷與海底地形載荷之比,根據(jù)胡敏章等[29]的公式(6),計算f取不同值時的理論重力導(dǎo)納,將其與觀測重力導(dǎo)納相比較,可獲得沙茨基海隆底部載荷規(guī)模的估值。

根據(jù)3.1節(jié)的分析,將底部載荷深度設(shè)置在14 km,也就是大塔穆火山平均地殼厚度11～17 km的中間值,指示著火山底部地殼。圖6顯示大塔穆火山的底部載荷(f)在0.1～0.6之間。Ito等[34]和Shimizu等[35]的研究指出大塔穆火山的沉降要小于地幔柱模型的預(yù)測,暗示著相對于周邊洋殼的均衡,火山地殼中存在質(zhì)量缺失,火山中的相對低密度區(qū)產(chǎn)生浮力,從而支撐或者部分支撐了火山地形的隆起。另外,根據(jù)氧化鎂成分的分析,Husen等推測在大塔穆火山下可能存在一個淺部(小于6 km)和一個深部(18～24 km)連接起來的巖漿房系統(tǒng)。導(dǎo)納分析結(jié)果顯示的大塔穆火山底下這個質(zhì)量缺失或者低密度區(qū)可能是由于這個巖漿房系統(tǒng)殘留在地殼中所引起的[36]。

(黑色圓點表示觀測重力導(dǎo)納數(shù)據(jù)(帶誤差)。紅色虛線、點線、點虛線表示基于不同底部載荷(f)的理論重力導(dǎo)納曲線。Filled black circles with error bars are observed admittances. Red dashed, dotted, and dash-dotted lines are theoretical admittances for different inner mass loading (f).)圖6 大塔穆火山考慮底部載荷時的理論重力導(dǎo)納與觀測重力導(dǎo)納對比圖Fig.6 Comparison of theoretical and observed gravity admittances regarding inner mass loading over Tamu Massif

4 討論

4.1 大塔穆火山地形與地殼厚度

重力均衡導(dǎo)納分析指出大塔穆火山的巖石圈有效彈性厚度小于3 km,揭示了大塔穆火山形成于一個很弱的巖石圈之上,或者說形成于洋中脊之上,屬于“on ridge”海底構(gòu)造[37-38],這點符合沙茨基海隆形成于洋中脊三聯(lián)點的構(gòu)造背景[18,19,24,39]。選取一條跨越大塔穆火山的代表性測線(A-B測線,位置見圖1),基于巖石圈撓曲均衡模型,利用第3節(jié)獲得的巖石圈有效彈性厚度等參數(shù)和海底地形數(shù)據(jù),可根據(jù)公式(2)計算莫霍面撓曲,進(jìn)而推斷莫霍面深度,推算結(jié)果見圖7。圖7同時給出了基于Airy均衡模型給出的莫霍面深度?？傮w來說,兩個理論模型的莫霍面推算結(jié)果大致上與地震觀測得到的莫霍面結(jié)果相吻合[26];揭示了大塔穆火山底下埋藏著一個深達(dá)約30 km的地殼根。這個巨厚的洋殼意味著大量的巖漿通過洋中脊的海底擴(kuò)張輸出到地表。

(地震莫霍面數(shù)據(jù)來自于張錦昌等[26]。紅色圓圈表示大洋鉆探鉆孔U1347取得火山基底巖石的位置。A-B剖面位置見圖1。Seismic Moho data are from Zhang et al.[26]. Red circle represents the IODP U1347 site that cores igneous basement rock. Location of Line A-B is shown in Fig.1.)圖7 跨越大塔穆火山A-B剖面的海底地形與莫霍面形態(tài)Fig.7 Seafloor and Moho undulations from Line A-B across Tamu Massif

4.2 大塔穆火山與夏威夷-帝王海山鏈以及周邊侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)洋殼

為了和大塔穆火山周邊構(gòu)造對比,采用移動窗口導(dǎo)納分析技術(shù)[40]獲取沙茨基海隆以及周邊地區(qū)的巖石圈有效彈性厚度分布圖(見圖8)。結(jié)果顯示沙茨基海隆與赫斯海隆都具有較低的巖石圈有效彈性厚度,符合兩個海隆類似構(gòu)造成因的認(rèn)識[41]。沙茨基海隆的巖石圈有效彈性厚度要明顯低于夏威夷-帝王海山鏈,這意味著洋底高原的形成與海山的形成具有不同的機(jī)理。夏威夷-帝王海山鏈?zhǔn)前鍍?nèi)熱點構(gòu)造[42-43],是地幔熱點刺穿先存巖石圈并加載在先存巖石圈上,所以巖石圈有效彈性厚度較大、巖石圈強(qiáng)度較大;而沙茨基海隆形成于洋中脊,沒有先存的巖石圈,是新生的洋殼,所以巖石圈有效彈性厚度接近為零、巖石圈強(qiáng)度很弱。

(黑色等深線勾勒出沙茨基海隆、赫斯海隆以及夏威夷-帝王火山鏈。紅色星號代表大塔穆火山。Black lines are bathymetry contours depicting Shatsky Rise, Hess Rise, and Hawaiian-Emperor Seamount Chain. Red star denotes the location of Tamu Massif.)圖8 沙茨基海隆及周邊地區(qū)的巖石圈有效彈性厚度Fig.8 Lithospheric effective elastic thickness around Shatsky Rise

根據(jù)大洋巖石圈的冷卻模型,大洋巖石圈隨著海底擴(kuò)張不斷遠(yuǎn)離洋中脊會變老、變厚和變冷,導(dǎo)致巖石圈強(qiáng)度增大[44-45]。巖石圈有效彈性厚度記錄了這一演變過程。圖9整理了大塔穆火山周邊的侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)洋殼的巖石圈有效彈性厚度代表值,數(shù)據(jù)來自胡敏章等[30]?？傮w上,白堊紀(jì)洋殼的巖石圈有效彈性厚度比更老的侏羅紀(jì)洋殼要小,這符合上述冷卻模型的推測。沙茨基海隆形成于晚侏羅-早白堊,跨越了侏羅紀(jì)到白堊紀(jì)兩個地質(zhì)時期,海隆的巖石圈有效彈性厚度比周邊侏羅紀(jì)洋殼或者白堊紀(jì)洋殼都要低,這意味著沙茨基海隆雖然形成于洋中脊之上,但是其動力學(xué)機(jī)制區(qū)別于正常的洋中脊海底擴(kuò)張模式。

(紅色星號代表大塔穆火山。黑色實線P&S是大洋巖石圈冷卻模型數(shù)據(jù)來自于Parsons and Sclater[44]。綠色虛線GDH1是板塊冷卻模型數(shù)據(jù)來自于Stein and Stein[45]。藍(lán)色三角(夏威夷-帝王海山鏈)、紅色圓圈(侏羅紀(jì)洋殼)、紫色方形(白堊紀(jì)洋殼)數(shù)據(jù)來自于胡敏章等[30]。Red star denotes the location of Tamu Massif. Black line labelled P&S is from plate cooling model introduced by Parsons and Sclater[44]. Green dashed line labelled GDH1 is from plate cooling model suggested by Stein and Stein[45]. Data of Hawaiian-Emperor Seamount Chain (blue triangles), Jurassic (red circles) and Cretaceous (purple squares) oceanic crusts are from Hu et al.[30].)圖9 大塔穆火山與夏威夷-帝王海山鏈以及周邊侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)洋殼的對比圖Fig.9 Comparison of Tamu Massif, Hawaiian-Emperor Seamount Chain and Jurassic and Cretaceous oceanic crusts nearby

4.3 大塔穆火山形成機(jī)制的啟示

相對于周邊洋盆,大塔穆火山具有超薄(1～3 km)的巖石圈有效彈性厚度;具有超厚(11～17 km)的平均地殼厚度;以及火山底下存在低密度區(qū)。超薄的巖石圈有效彈性厚度指示了大塔穆火山形成于洋中脊之上,這點符合磁異常數(shù)據(jù)揭示的洋中脊三聯(lián)點構(gòu)造背景[18-19,24,39],也符合火山形成于板塊擴(kuò)張邊界,由于沒有先存巖石圈(或強(qiáng)度極弱的巖石圈),巖漿噴出過程基本處于動力學(xué)均衡狀態(tài),展示出較低的重力異常值[14,33]。大塔穆火山展示出比周邊侏羅紀(jì)或者白堊紀(jì)正常洋殼更低的巖石圈有效彈性厚度,加上它擁有比正常洋殼(6～7 km厚度)厚一倍以上的地殼,都意味著大塔穆火山的形成機(jī)制是有區(qū)別于正常洋中脊的。無論Airy均衡和巖石圈撓曲均衡模型推算,還是人工地震實際觀測結(jié)果[22,26],都揭示了大塔穆火山底下存在一個厚達(dá)約30 km的地殼根,這樣超厚的洋殼需要大量的巖漿從地幔輸出到地表,正常洋中脊是沒法滿足的。盡管大塔穆火山形成于洋中脊之上,但是還需要額外的巖漿供給才能構(gòu)建體量如此厚碩的洋殼。大塔穆火山的形成,在洋中脊過程基礎(chǔ)上,還需要一個額外的機(jī)制。第一種可能就是地幔柱(Mantle plume)[1,3-4],地幔柱可以從地幔深部帶來足夠多的物質(zhì)輸送到洋中脊下面,產(chǎn)生地幔柱與洋中脊的相互作用,兩者加成從而噴出大規(guī)模的巖漿。地幔柱模式在大塔穆火山上找到不少觀測證據(jù),包括大洋鉆探航次在大塔穆火山上鉆取到巨厚塊狀熔巖(厚達(dá)23 m),揭示了大規(guī)模熔巖流、快速噴發(fā)并擴(kuò)散的特征[9,15];多道地震反射剖面顯示,大塔穆火山是地球上最大的單體火山,具有圍繞單一火山中心呈現(xiàn)盾狀、兩翼坡度低的結(jié)構(gòu)[15,22,26]。這些觀測反應(yīng)了熔巖流噴發(fā)時粘度低、噴出速率高且流動距離長,大量巖漿很快地從火山中心流出并擴(kuò)散至周邊海盆,與地幔柱頭大規(guī)模、快速的巖漿噴發(fā)預(yù)測的特征一致。沙茨基海隆北部的兩座火山(奧里火山和希爾紹夫火山,見圖1)和帕帕寧海嶺年齡逐漸年輕、規(guī)模逐步變小并呈現(xiàn)鏈狀排列,反映了從地幔柱頭過渡到地幔柱尾的過程。因此,地幔柱與洋中脊相互作用機(jī)制是能夠較好地解釋大塔穆火山上這些重要觀測和模擬結(jié)果的,但其具體的動力學(xué)模式目前仍停留在定性認(rèn)識層面上,還沒有開展足夠的定量研究[9-11,13-14]。

另一種可能的額外機(jī)制是大面積、不均一的富集地幔減壓熔融(Massive heterogeneous fertile mantle)[46-48]。與地幔柱作用相比,由于不需要深部地幔物質(zhì)參與,巖漿來源較淺,這種機(jī)制在時間上可以更長、在空間上可以更廣。支持這種機(jī)制的觀測證據(jù)有:地球化學(xué)與同位素分析表明,MORB(洋中脊玄武巖)是大塔穆火山熔巖的主要巖石類型,這種巖漿與太平洋MORB相似,但與熱點相關(guān)的OIB(洋島玄武巖)不同[49-50]。從地震折射數(shù)據(jù)計算得出的速度模型表明,地殼厚度與地震波速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,即較厚地殼的火山中心呈現(xiàn)較低的地震波速,意味著大塔穆火山具有化學(xué)異常特征的巖漿來源,指示具有較冷的淺部地幔物質(zhì)被動上涌的特征[51]。這種機(jī)制目前研究較少,很多學(xué)者認(rèn)為難以解釋大塔穆火山這樣超級規(guī)模巖漿量的產(chǎn)生。

導(dǎo)納分析結(jié)果顯示大塔穆火山底下14 km處存在一個低密度區(qū),這個質(zhì)量缺失的區(qū)域可能由于殘留巖漿房造成。地球化學(xué)分析指出在大塔穆火山地殼淺部和深部均存在巖漿房,構(gòu)建起從下而上的巖漿輸送系統(tǒng)[36,52]。這個巖漿房系統(tǒng)殘留在大塔穆火山下面,就會產(chǎn)生一個相對于周圍的低密度區(qū),而這個低密度區(qū)對應(yīng)了火山中心部位較兩翼更低的地震波速(假設(shè)地震波速與地殼密度是正相關(guān)關(guān)系)[51]。殘留的巖漿房系統(tǒng)在大塔穆火山主體形成后,導(dǎo)致了廣泛的后期火山活動,例如大塔穆火山頂峰的多倫多海嶺(約15 Ma晚于大塔穆火山,來自于拖網(wǎng)巖石定年數(shù)據(jù))[41,53-55],以及成千上萬、星羅密布在大塔穆火山表面上的次生海山椎[23,56]。另外,大塔穆火山底下這個低密度區(qū)的存在會產(chǎn)生浮力來支撐火山中心地形的隆起,導(dǎo)致整個火山出現(xiàn)差異性沉降[34-35],也就是火山中心比側(cè)翼沉降得要少,這樣會在火山翼部產(chǎn)生諸多正斷層,這個推測也得到了多道地震剖面觀測的證實[22-23]。

5 結(jié)論

(1)大塔穆火山的巖石圈有效彈性厚度是1～3 km,指示火山形成于很弱的先存巖石圈之上,即形成于洋中脊之上。這個結(jié)果符合大塔穆火山處于低重力異常的均衡狀態(tài),以及處于洋中脊三聯(lián)點的構(gòu)造背景。

(2)大塔穆火山平均地殼厚度是11～17 km,并擁有一個厚達(dá)約30 km的地殼根。Airy均衡模型和巖石圈撓曲模型推算的結(jié)果與實際地震觀測結(jié)果大體一致。超厚的洋殼需要大量巖漿噴發(fā)產(chǎn)生,指示大塔穆火山形成機(jī)制區(qū)別于正常洋中脊,需要額外的動力學(xué)過程參與。地幔柱與洋中脊相互作用是目前較好的成因解釋模式,但需開展定量研究進(jìn)一步證實。

(3)大塔穆火山底下存在一個質(zhì)量缺失的低密度區(qū),這個區(qū)域可能是殘留巖漿房造成的結(jié)果,對應(yīng)了火山中心氧化鎂的地球化學(xué)特征和較低地震波速的實際觀測、以及火山表面諸多的次生海嶺和海山椎的發(fā)現(xiàn)。這個低密度區(qū)還會產(chǎn)生浮力支撐火山中心隆起,導(dǎo)致火山側(cè)翼沉降更多,從而在火山翼部產(chǎn)生一系列正斷層。