Nature：Mohns超慢速扩张脊的深部电性结构成像

来源：中科院地质地球所

【前沿报道】Nature：

 Mohns超慢速扩张脊的深部电性结构成像

洋脊是地球系统中火山和地震活动极其频繁、岩浆大规模上涌及新生洋壳形成的巨型活动构造带，是大陆漂移和海底扩张的中心，关乎板块构造学说的理论根基，对于研究板块动力、熔体形成和地幔对流等基本地球科学问题具有十分重要的意义。根据扩张速率大小，洋脊可划分为快速、中速、慢速和超慢速扩张脊等四种类型（图1a）。其中，全扩张速率（full spreading rate，即洋脊两侧板块扩张速率之和）小于20mm/a的洋脊，定义为超慢速扩张脊，其占全球洋脊总长的三分之一以上，主要对应北冰洋和西南印度洋洋脊，近十余年来备受地学界关注（Snow and Edmonds, 2007）。比如，我所刘传周研究员参加的IODP-SloMo计划，主要科学目标即为选择西南印度洋超慢速扩张脊“亚特兰蒂斯浅滩”作为理想的构造窗口，研究慢速或超慢速扩张脊的壳-幔过渡本质。 

图1 超慢速和快速扩张脊深部电阻率结构。（a）全球不同扩张速率洋脊分布，其中红色线段所示为超慢速扩张脊，绿色线段为快速扩张脊，黄色线段为中速或慢速扩张脊；（b）Mohns洋脊CSEM+MT联合探测剖面位置（MR剖面）和电阻率结构；（c）东太平洋北部洋脊MT探测剖面位置（EPR剖面）和电阻率结构。由图可知，超慢速扩张脊主要对应北冰洋脊和西南印度洋脊（SWIR）；而快速扩张脊主要对应东太平洋脊（EPR）和东南印度洋脊（SEIR）；无论是地形地貌、构造特征与深部结构等，相对快速扩张脊而言，超慢速扩张脊具有明显的非对称性（修改自Snow and Edmonds, 2007; Key et al., 2013; Johansen et al., 2019）

北冰洋Mohns洋脊（见图1a、图1b），全扩张速率约为14-16mm/a，具有超慢速扩张脊的几乎所有典型特征（如斜向不对称扩张、拆离断层发育、地幔岩石出露、地壳厚度薄等），是研究超慢速扩张脊的理想场所。近日，挪威科技大学（NTNU）地学与石油系Stale Emil Johansen等人，在Nature发表了联合可控源电磁和大地电磁测深（CSEM+MT）数据反演获得的Mohns超慢速扩张脊壳幔电性结构图像（图1b），并利用电导率对流体和温度敏感的特性，进一步对流体含量和热结构进行了约束。

该项研究认为，Mohns洋脊下方并不存在传统模型预期的热边界盖层，地幔物质被动上涌且抵达Moho面，在壳内形成岩浆房，地幔熔融区的形态和规模直接受控于洋脊两侧慢速和非对称板块运动，该成果对于认识和理解超慢速扩张脊的结构和演化具有重要科学意义。 

该项研究提供的电性结构模型显示，指示地幔物质上涌的低阻异常聚集在Mohns洋脊下方狭长而倾斜的非对称区域内，其向上抵达Moho面，并将两侧高阻、干的无熔融岩石圈分隔开来；洋脊东侧的岩石圈更冷更厚，而西侧的岩石圈则更薄更暖（图1b）。

目前普遍认为，超慢速扩张脊的地壳厚度依赖于扩张速率而会呈现地壳很薄，甚至不存在地壳的特征；但由于地幔对流冷却而在洋脊下方会形成或厚（>30 km）或薄的热边界盖层，厚的盖层会切断熔体的产生，而薄的盖层亦会阻滞熔体向地表的迁移。但该项研究获得的地幔图像，并不支持超慢速扩张脊下方存在热边界盖层的观点，恰恰相反，来自软流层的热物质抵达Moho面，即便是很薄的盖层也难以形成。与东太平洋北部快速扩张脊MT剖面（图1c）相比，两者的显著区别不在于洋脊下方是否发育热边界盖层，而是熔融区的形状和尺寸（Mohns洋脊下方熔融区域相对更窄更小）。 

得益于采用了CSEM和MT联合观测手段，该项研究在提供壳幔深部结构的同时，还提供了地壳尺度的精细电性结构模型（图2a）。通过电阻率分布特征，作者认为海水通过沉积层或断裂系统向下渗透，在洋脊两侧区域形成热液循环系统；而大型超壳断裂为地幔橄榄岩的蛇纹石化及出露提供了有利条件，地幔的蛇纹石化可显著降低岩石圈强度而最终导致地震活动性降低，这些可很好地解释洋脊“黑烟囱”，西侧海底出露蛇纹石和辉长岩、地震活动少等地质现象。 

图2 （a）利用CSEM数据反演获得的电性结构模型; （b-d）洋脊轴部（c）和两侧（西侧3 Myr和东侧4Myr洋壳年龄位置处）深度-电阻率剖面（Johansen et al., 2019）

综上所述，超慢速扩张脊深部同样存在地幔被动上涌和壳内岩浆房，地幔熔融区的形态和规模直接受控于板块构造运动；海水通过沉积层或断裂系统向深部渗透，对地幔的蛇纹石化和洋脊两侧区域热液循环系统的形成提供了有利条件，而深部的岩浆活动则为形成和维持高温热液活动提供了不竭的动力和热源。