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張錦昌等-Nature Geoscience:西太平洋大塔穆火山形成機制的新認識

【發布時間 Updated】:2019-08-13  |  【打印 Print】 【關閉 Close

      實驗室林間團隊張錦昌副研究員與多國科學家合作,通過詳細分析最新采集的海洋磁測數據,獲得了西太平洋大塔穆火山形成機制的新認識,相關成果近日發表在《Nature Geoscience》上,題目為“Oceanic plateau formation by seafloor spreading implied by Tamu Massif magnetic anomalies(《大塔穆火山磁異常特征揭示洋底高原形成于海底擴張》)”。 

  西太平洋是地球上巨型海底火山最密集的區域,但是關于巨型海底火山的形成機制至今存在很大爭議。作為全球第三大洋底高原的沙茨基海隆(Shatsky Rise)就是其中代表,它高約4千米,面積約50萬平方千米,體積近700萬立方千米。沙茨基海隆主要由幾座已停止活動的巨型海底火山組成(圖一),其中最大的是大塔穆火山(Tamu Massif)。該火山具有時空分布連續的火山結構、較薄的火山蓋頂沉積、良好的地磁場分布以及成熟的大洋地殼等特征,同時具有洋中脊三聯點的構造背景,是研究巨型海底火山、洋底高原、海洋大火成巖省等形成機制、驗證地幔柱和板塊成因假說的天然實驗室。 

  2013年張錦昌與美國、日本科學家合作,通過分析高分辨率主動源地震探測資料、高精度海底地形以及大洋鉆探巖芯數據,發現大塔穆火山是一座單體的、巨型盾狀火山,其寬度和面積堪比目前人類探明的最大火山-火星上的奧林帕斯山。因此研究得出大塔穆火山是地球上最大的單體火山,并且該發現被選為《Nature》2013年度十大科學新聞。 

  然而研究人員對這座火山是怎樣形成一直存在疑惑。主流的地幔柱和板塊兩種成因假說都有不少實際觀測證據支持,但同時也存在一些矛盾與不符。2015年張錦昌作為聯合首席科學家,繼續與國際科學家合作,共同帶領團隊重返大塔穆火山進行海上調查。航次的首要目的是采集高密度的海洋磁測數據,以精細地重構大塔穆火山的演化歷史并解剖其形成機制。 

  經過幾年的科研攻關,2019年研究人員成功繪制出最新、最詳盡的大塔穆火山磁異常圖,并反演出火山內部的磁性結構(圖一)。這次研究發現大塔穆火山具有顯著的條帶狀磁異常特征,類似于洋中脊,是海底擴張過程的巖漿產物。這個新認識挑戰了之前廣泛接受的地幔柱成因假說,因為大塔穆火山并不是像地幔柱預測那樣由于較短時間內、快速的大面積巖漿噴發而熔巖展現出非線性的磁性結構。相反,盡管大塔穆火山地殼厚度巨大并呈現超低傾角火山盾,但是熔巖噴發始終被約束于洋中脊,不會流出脊中心很遠,進而產生線性、橫向的火山結構。 

  這次新的發現表明了大塔穆火山的地表巖漿作用主要受控于海底擴張模式;而考慮到其碩大體量,明顯有別于全球洋盆里諸多的正常洋中脊。大塔穆火山形態上是盾狀火山,但是表面熔巖沒有大面積、長距離擴散,而且內部結構也不是垂向疊加而成。另外一方面,大塔穆火山構造上是洋中脊模式,但是地殼超厚,而且地殼厚度隨著時間發生巨大變化,說明巖漿供應量極其不穩定。因此,大塔穆火山既不是典型的盾狀火山,也不是典型的洋中脊,也許它是一個混合型的巨型海底火山類型。這種新型的火山能否被重新定義、地球上最大的單體火山這個命名是否仍然準確,有待日后研究進一步查明。 

  大塔穆火山研究成果是多國科學家合作的結果。美國休斯頓大學Sager教授是大塔穆火山研究的牽頭科學家,他與張錦昌是2015年海洋磁測調查航次的聯合首席科學家。Sager、長江大學講師黃彥銘博士、張錦昌為上述成果論文的共同通訊作者。該成果受到了國家重點研發計劃項目(2018YFC0309800),國家自然科學基金(41606069,41776058,91628301,U1606401)與中國科學院項目(Y4SL021001,QYZDY-SSW-DQC005)等資助。 

  相關論文信息:https://www.nature.com/articles/s41561-019-0390-y 

 

大塔穆火山及周邊的地形圖與過往已查明的磁異常條帶(上);最新繪制的大塔穆火山磁異常圖(左下)與磁性結構反演(右下)

大塔穆火山形成機制對比示意圖,火山脈沖式噴發模式(上)、海底擴張模式(下)。最新研究成果發現該火山具有顯著的條帶狀磁異常特征,符合海底擴張模式 

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