大洋板塊擴(kuò)張中心是全球最主要的火山活動(dòng)帶，其產(chǎn)生的大洋地殼覆蓋超過60%的地球表面。然而，地幔熔融的巖漿如何增生成洋殼并沒有完全被人們理解。 隨著近些年海洋多道地震(MCS，multi-channel seismic)成像技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)張中心下覆軸向殼內(nèi)巖漿房AMLs（Axial Melt Lens/ Axial Magma Chambers）的大小和深度等幾何特征有了非常好的約束。地震數(shù)據(jù)揭示AMLs具有三個(gè)明顯的特征：1）形狀不規(guī)則，并且在三維空間上發(fā)生疊置和躍遷（Kent et al., 2000）；2）AMLs內(nèi)部熔融程度不均一，由多個(gè)垂向疊置的水平巖席體組成（Carbotte et al., 2020）；3）從全球尺度來看，快速擴(kuò)張洋中脊的AMLs在洋中脊走向方向上連續(xù)分布（Carbotte et al., 2013），而慢速擴(kuò)張洋中脊的AMLs僅有可能分布在每一個(gè)洋脊段中央（Singh et al., 2006）。這些觀測(cè)甚至改變了人們對(duì)島弧和板內(nèi)巖漿系統(tǒng)的重新思考（Cashman et al., 2017）。有意思的是，具有這些特征的軸向巖漿房如何形成目前并沒有理論機(jī)制。特別是，AMLs 內(nèi)部水平分布的巖席體如何在伸展構(gòu)造環(huán)境下形成？AMLs為什么會(huì)在快速擴(kuò)張洋中脊沿軸連續(xù)分布？而在慢速擴(kuò)張洋中脊僅在洋脊段中央集中分布？
針對(duì)以上問題，吉林大學(xué)“地球深部動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)*”成員劉仲蘭副教授與美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Roger Buck 教授合作開展了系列數(shù)值模擬的理論研究。取得如下主要認(rèn)識(shí)：
1）通過耦合模擬長(zhǎng)時(shí)間尺度（～千年）的構(gòu)造伸展和短時(shí)間尺度（～小時(shí)）巖漿侵位發(fā)現(xiàn)：巖墻侵位到一個(gè)已經(jīng)被伸展的脆性巖石圈可以導(dǎo)致大洋地殼發(fā)生小幅度的撓曲和鉛直方向的位移。這種位移導(dǎo)致了鉛直應(yīng)力的減小和主應(yīng)力方向的旋轉(zhuǎn), 從而有可能為AMLs內(nèi)部的水平巖漿侵位提供了合適的應(yīng)力環(huán)境(圖1)。
2）巖墻侵位引起的鉛直應(yīng)力減小幅度是在幾個(gè)兆帕，因此這種機(jī)制導(dǎo)致的主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)的前提條件是洋中脊處脆性層的靜巖壓力與巖漿的靜水壓力相近，即脆性層的平均密度與基性巖漿的密度相近。進(jìn)一步利用地震波速結(jié)構(gòu)獲得的密度結(jié)構(gòu)，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果顯示AMLs 僅僅能夠發(fā)育在當(dāng)脊軸處脆性巖石圈厚度小于4千米的洋脊段（圖2）。
圖2. 不同擴(kuò)張速率下AMLs形成所需的應(yīng)力環(huán)境。（a）三個(gè)不同擴(kuò)張速率及有效洋殼厚度的案例中，一次巖墻侵位對(duì)地應(yīng)力的影響。巖漿壓強(qiáng)與圍巖垂直應(yīng)力大于0則表示有利于AMLs 的形成。（b）系統(tǒng)地顯示了擴(kuò)張速率和洋殼厚度對(duì)AMLs形成深度的影響。
3）耦合了上述力學(xué)模型與巖漿侵位的熱效應(yīng)、海水循環(huán)的冷卻效果的數(shù)值模擬表明：AMLs的形成與分布受控于擴(kuò)張速率：當(dāng)擴(kuò)張速率大于～50 mm/yr 時(shí)，AMLs能夠在洋脊段的大部分位置發(fā)育，洋殼可以在原位增生；而當(dāng)擴(kuò)張速率小于～50 mm/yr，AMLs只能在洋脊段中央發(fā)育，洋殼傾向于在洋脊段中央發(fā)生部分結(jié)晶，并釋放潛熱（圖3）。計(jì)算預(yù)測(cè)的AMLs沿軸發(fā)育的長(zhǎng)度與整個(gè)洋脊段長(zhǎng)度的比值（LAML / L0）與已有的觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合(圖3)。該理論模型可以為超慢速擴(kuò)張洋中脊洋殼厚度的異常不均一性（Li et al., 2015; Jian et al., 2017）提供可能的解釋。未來也可能將上述的力學(xué)模型考慮到相關(guān)的三維地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬中（Liao and Gerya., 2015; Liu and Gerya., 2022）。
圖3. (a)-(b) 展示了不同擴(kuò)張速率洋中脊的AMLs 分布方式及與之相關(guān)的地殼增生方式。(c) 擴(kuò)張速率控制AMLs沿軸發(fā)育的長(zhǎng)度與整個(gè)洋脊段的比值（LAML / L0），綠色點(diǎn)為模型計(jì)算獲得，五角星代表自然界觀測(cè)數(shù)據(jù)。
以上第一部分成果于2022年4月發(fā)表于國(guó)際地學(xué)期刊《GEOLOGY》上，第二部分和第三部分成果于近日發(fā)表于國(guó)際綜合期刊《美國(guó)科學(xué)學(xué)院刊》（PNAS）上。劉仲蘭是論文的第一作者，吉林大學(xué)是PNAS論文的唯一通訊和第一單位。該研究受到吉林大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（No. 2021TD-05）和美國(guó)自然科學(xué)基金（NSF-OCE-1654745）的資助。研究的詳細(xì)信息請(qǐng)參照原文：
原文鏈接:
Liu Z, Buck W R. Magmatic sill formation during dike opening[J]. Geology, 2022, 50(4): 407-411. https://doi.org/10.1130/G49400.1
Liu Z, Buck W R. The spreading rate dependence of the distribution of axial magma lenses along mid-ocean ridges [J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 2023, 120(1): 1-8.
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214048120
* 吉林大學(xué)“地球深部動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”是由地球科學(xué)學(xué)院許文良教授負(fù)責(zé)的多學(xué)科交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)由具有地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、計(jì)算礦物學(xué)、高壓物理學(xué)、數(shù)值模擬等不同學(xué)科背景的10名教授，3名副教授組成。
