CEE：高分辨地震成像全景式刻画固化的大火成岩省巨型岩浆系统

学术 2024-09-13 00:00 湖北

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来源：地学之家

大火成岩省（Large Igneous Province）是指以短时（小于几个百万年）、巨量喷发（覆盖面积大于十六万平方公里）为特征的富镁铁质喷出岩、侵入岩构成的大规模岩浆岩建造。一般认为如此短时、巨量的高温岩浆作用与地幔柱活动有关，其涉及地球内部运作机制、大陆生长与超大陆演化、大规模成矿、生物环境灾变等诸多前沿研究领域。地幔柱活动伴随有显著的高温异常，以热效应引起的地震波低速异常为线索，已有大量研究利用全球/区域地震成像对现今地幔柱分布及形态进行多尺度刻画。然而，对于形成年代久远的大火成岩省而言，由于地幔柱活动引起的热效应已经耗散殆尽，因此在现今地幔柱探测中行之有效的、热效应主导的地球物理异常已不再存在；而且由于板块运动，大火成岩省与地幔柱活动时期的深部地幔在空间上不再对应，从而为利用地球物理方法探测古地幔柱作用带来了挑战。迄今为止，对古地幔柱作用的识别，多依据喷发前的地表隆升、放射状岩墙群、岩浆组分特征、火山年代学等地质、地球化学信号，地球物理探测多侧重提供底侵等局部关键结构方面的制约。大火成岩省的深部根源，即现今岩石圈内究竟是否仍可保留地幔柱作用岩浆系统、其规模及形态如何等系列重要科学问题，仍有待高分辨率地球物理成像予以回答。

峨眉山大火成岩省是我国境内第一个获得国际学术界广泛认可的大火成岩省，也是全球范围内研究起步较早、研究程度最高的大陆溢流玄武岩省之一。ChinArray宽频带密集台阵已对该区关键部位形成良好覆盖，为开展古地幔柱作用精细探测研究提供了良好契机（如图1所示）。

图1 峨眉山大火成岩省大地构造位置与地震台站分布图

为此，中国地质大学（武汉）地空学院郑勇教授及其团队，联合中科院地质与地球物理研究所陈赟副研究员、广州地球化学研究所徐义刚院士、德国地球科学中心（GFZ）袁晓晖等，基于ChinArray台阵、区域固定台网等宽频带地震资料，开展区域面波频散和远震接收函数波形的贝叶斯蒙特卡洛联合反演，构建了峨眉山大火成岩省高分辨率横波速度模型（水平分辨约30 km），取得了如下重要进展：

图2 峨眉山大火成岩省岩浆系统立体图（由地震波速变化梯度圈定）

（1）发现峨眉山大火成岩省下方，存在一个孤立的、贯穿岩石圈的高速异常体（S波异常幅值>4 %，图2），该异常体自浅表延伸至~135 km，并在不同深度层次，显示出不同的几何分布与异常幅值（图2中，A,B,C,D,E各段所示），特别是在浅部地壳（深度<20 km）还存在一定程度偏离（图2中A段所示），但在立体形态上仍总体呈现一个完整的、近垂直圆柱体，主体直径>100 km。结合前期二维综合地球物理剖面在地壳结构/组分特征等方面的系统约束，特别是该柱体恰位于峨眉山大火成岩省的内带，且所在位置方位各向异性极弱（SKS波分裂时差<0.35 s，甚至检测不到分裂）、有苦橄岩零星出露等特征，推断该贯穿岩石圈的柱形高速体为峨眉山大火成岩省的深部根源，即二叠纪峨眉山地幔柱作用固化于大火成岩省岩石圈中的巨型岩浆系统；

（2）在岩石圈地幔深度层次（深度>60 km部分），该高速异常体呈现为直立圆柱体（图2中D、E段），此部分直径为100-125 km，与理论计算给出的地幔柱尾部尺寸吻合，且其轴心在地表的投影恰对应内带的核心（图1、图2中红色五角星），推断该区对应地幔柱头与上覆岩石圈直接接触并发生强烈相互作用的部位。综合前期研究揭示该区存在高密度特征，以及本项研究揭示其形态直立、方位各向异性弱、速度垂向变化小等特征，整体上指示该异常体为地幔柱岩浆快速注入的结晶，且在垂直上升过程中未经历充分的分异作用；

（3）结合数值模拟实验、全球主要大火成岩省主喷发期板块运动速率的统计分析，进一步表明岩石圈中直立的岩浆系统指示地幔柱与岩石圈相互作用时期的板块运动速率很小，以保证拥有充分的时间、足够的热量发生强烈作用而形成大火成岩省。

该项研究首次刻画了大火成岩省的深部根源，给出了地幔柱作用在现今岩石圈中固化的巨型岩浆系统的全景式立体图像，为地幔柱动力学、大火成岩省的岩浆系统等重要科学问题提供了新的约束。

论文信息

成果发表在Nature 子刊《Communications Earth & Environment》上，博士生汪思学为第一作者，郑勇教授、陈赟副研究员为共同通讯作者。该研究得到科技部重点研发计划(2022YFF0802600)，国家自然科学基金(42274082, 42030108)等项目的资助。

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

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