Naturecommunications地幔温度和板块厚度对

　　Naturecommunications：地幔温度和板块厚度对板内火山活动的全球影响
　　地幔对流是地球内部的重要动力学过程，是板块构造、大陆形成和漂移、火山作用、地震和造山运动的根本原因（Lowman，2002）。地幔对流使得地球内部热能向外传播，化学物质不断循环，并在地球表面产生动力学地形。约束地幔的热化学结构的时空变化将有助于提升对这些相互关联的现象的理解。然而这个具有巨大挑战性的课题需要整合多种学科的观测。
　　目前探测地幔热化学结构的两种行之有效的方法是火成岩地球化学和地震层析成像，两者都可以用来确定地幔温度和化学成分的变化。在火成岩地球化学方法中，对于给定的地幔源的组成，熔融深度和程度主要受软流圈温度和岩石圈厚度的控制（McKenzieetal。，2005）。在适当的假设条件下，根据火山岩的位置、体积和组成成分可以分析上地幔顶部的热结构，然而火山岩的分布和组成受地幔成分、地幔流几何结构以及在上升过程中熔体与围岩之间的相互作用的显著影响。地震层析成像可获得整个地幔剪切波速度异常（Vs）结构，Vs对温度非常敏感，可以对全球地幔温度变化提供关键约束（Priestleyetal。，2006），但是Vs也受到地幔组成和间隙熔体的影响。针对两种方法各自的不确定性，可以密切结合地球化学观测和地震层析成像模型，分析火成岩地球化学与上地幔结构之间的关系，将有助于了解地幔组成成分、温度和熔融在地质时期的相互作用（Daltonetal。，2014；Wiensetal。，2006）。
　　在2014年，Daltonetal。（2014）将这种密切结合地球化学观测值和剪切波速度异常的方法应用在了岩石圈厚度可以忽略的洋中脊地区。通过分析洋脊剪切波速度、洋脊深度和MORB化学成分的变化的全球相关性，发现洋中脊深度以及MORB的主要化学元素组成主要受地幔温度变化的影响，洋脊深部最冷点位于海拔最低的地方，最热点位于洋脊海拔最高的地方（冰岛）。
　　在最新的研究中，针对于更一般的情况，即在软流圈温度和岩石圈厚度均发生变化的板内火山区域，Balletal。（2021）通过汇编全球范围内新近纪第四纪20000个板内火山岩样本分布和化学组成的数据库，结合全球的上地幔地震波速度模型，建立火山岩的化学组成与地幔地震速度、岩石圈厚度、地幔温度异常之间的定量关系，揭示了软流圈热异常和岩石圈减薄对板内火山形成的主导作用及其对地表过程影响。研究成果发表于NatureCommunications上。
　　作者首先研究了新近纪第四纪板内火山作用的分布和火山岩岩石组成、Vs和岩石圈厚度之间的关系，研究结果显示新近纪第四纪板内火山作用集中在剪切波速度负异常和薄岩石圈区域（100km）（图1）；铁镁质火成岩中的LaSm与Vs（深度为15025km）呈正相关（图2），火成岩的组成可反映软流圈的温度变化。另外不相容元素的主成分分析以及与地幔温度、地球化学和地球物理指标的相关性分析进一步揭示了软流圈温度变化是熔体含量的主要影响，岩石圈厚度变化主要影响熔融发生的深度范围。这些研究结果表明软流圈温度变化和岩石圈厚度变化有助于确定板内岩浆作用的空间分布。
　　图1新近纪第四纪板内火山分布。（a）深度为15025km全球剪切波速度异常平均值（Vs）层析成像结果来自SL2013sv模型。黄色圆圈：年龄10Ma且喷发距离400km的板内岩浆样品。（b）利用SL2013sv层析模型的1175等温面交点计算岩石圈厚度的空间变化。分别标识北美洲西部、南美洲最南部、澳大利亚东部以及北非的高海拔的平缓倾斜的晚白垩纪新生代海相地层出露（Balletal。，2021）
　　图2空间和地球化学相关性。（a）在15025km深处，剪切波速度负异常累积面积的百分比。其中黑曲线：全球的累积面积百分比，红曲线：火山样品分布区域中剪切波速度负异常的累积面积百分比。黑红色虚线：vs
　　作者还利用地球化学反演方法获得软流圈温度和岩石圈厚度，惊喜地发现在全球范围内的反演结果与SL2013sv层析成像模（Schaefferetal。，2013）VsT校准的软流圈温度和岩石圈厚度相匹配，且软流圈温度较高的区域与岩石圈异常薄的区域一致，例如：LaSm和Vs的最低值对应在冰岛地幔柱，而在Eifel（EF）和CentralArabia（CA）之间逐渐下降，在Afar（AF）地区又再次增加（图3）。软流圈温度变化Tp和地球化学与地震层析成像分别计算的岩石圈厚度都有相应一致的变化趋势（图3）。
　　图3计算温度变化、岩石圈厚度变化和动力学地形之间的关系。（a）分别由地球化学反演模型和SL2013sv地震层析成像模型计算的Tp的关系图；（b）由SL2013sv层析模型计算的深度为15025km时的Tp平均值的空间变化图；（c）根据（b）中穿过冰岛（IC）、北海（NS）、埃菲尔（EF）、安纳托利亚（AN）、阿拉伯中部（CA）、阿法尔（AF）和坦桑尼亚（TZ）的横切面xx’绘制的海拔图，蓝色多边形为隆升的新生代海洋地层，（d）、（e）和（f）都沿xx’绘制；（d）红色曲线：SL2013sv层析成像模型计算的15025km深处vs的平均值，白圈：平均分布在距离剖面小于200km的1范围平均的LaSm观测值，红圈：样本数5的LaSm值；（e）彩条：根据SL2013sv层析模型计算出15025km深度的Tp平均值。（f）黑线：SL2013sv层析模型计算的岩石圈厚度沿xx’的变化，带数条的圆圈：地球化学模拟确定的岩石圈厚度1。5倍的最小失配度，蓝色方框：基于岩石圈地幔减薄和上地幔热异常，根据海相岩石的海拔估计的现今岩石圈厚度（Balletal。，2021）
　　最后，作者将地球化学、地震层析成像研究结果与动力学地形的实际观测联系，发现在多个板内火山活跃的地区（北美洲西部、南美洲最南端、澳大利亚东部和北非）海相地层在新近纪第四纪都经历了显著的区域性隆升，认为地表动力学地形的产生可能是岩石圈厚度减薄与软流圈温度升高主导的。
　　结合以上的研究结果和分析，Balletal。（2021）对于板内火山岩的地球化学性质与地震层析成像模型之间的联系的定量研究，避免了活动边界上的各种复杂因素的影响，建立起了新近纪至第四纪板内火山作用、软流圈温度正异常以及岩石圈厚度异常薄的全球相关性，进一步补充了全球洋中脊地区的相关研究成果（Daltonetal。，2014）。研究成果还强调了软流圈温度变化与岩石圈厚度变化对动力学地形的时空演变有着深远的影响。由于板内火山作用贯穿整个岩石记录，火成岩和地层学的联合分析将有助于进一步探索整个显生宙地幔对流和地表过程的演化历史。
　　主要参考文献
　　BallP，WhiteN，MaclennanJ，etal。Globalinfluenceofmantletemperatureandplatethicknessonintraplatevolcanism〔J〕。Naturecommunications，2021，12（1）：113。
　　DaltonCA，LangmuirCH，GaleA。Geophysicalandgeochemicalevidencefordeeptemperaturevariationsbeneathmidoceanridges〔J〕。Science，2014，344（6179）：8083。
　　LowmanJ。MantleConvectionintheEarthandPlanets〔J〕。GeophysicalJournalInternational，2002，150：827827。
　　McKenzieD，JacksonJ，PriestleyK。Thermalstructureofoceanicandcontinentallithosphere〔J〕。EarthandPlanetaryScienceLetters，2005，233（3）：337349。
　　PriestleyK，McKenzieD。Thethermalstructureofthelithospherefromshearwavevelocities〔J〕。EarthandPlanetaryScienceLetters，2006，244（12）：285301。
　　SchaefferA，LebedevS。Globalshearspeedstructureoftheuppermantleandtransitionzone〔J〕。GeophysicalJournalInternational，2013，194（1）：417449。
　　WiensDA，KelleyKA，PlankT。Mantletemperaturevariationsbeneathbackarcspreadingcentersinferredfromseismology，petrology，andbathymetry〔J〕。EarthandPlanetaryScienceLetters，2006，248（12）：3042。
　　（撰稿：李聃聃，田小波岩石圈室）
　　校对：张腾飞、姜雪蛟