Nature Geoscience：大塔穆火山成因新解

来源：中科院地质地球所

【前沿报道】Nature Geoscience：大塔穆火山成因新解

大塔穆火山（Tamu Massif）是位于西北太平洋Shatsky隆起的一个巨大的中生代海底火山。早期，根据该海区地震调查资料认为大塔穆海山的结构类似于盾状火山，可能是地球上最大的单体火山。近年来，随着对一批新的地球物理调查数据的深入解释，研究人员对大塔穆火山的成因机制提出了新的见解：认为其与海底扩张有关。

一般认为大多数海洋高原都是巨大的玄武岩火山，Sager et al.（2013）通过多道地震剖面探测和综合大洋钻探（IODP）岩石样品，对位于西北太平洋Shatsky隆起的大塔穆地块开展结构研究，认为大塔穆地块是一个巨大的火山，火山中心喷出的巨大熔岩流形成了一个宽阔的盾状形状。这种模式下，巨量的火山喷发与地幔柱的岩浆活动有关，不会在洋底形成线性磁异常条带。然而结合新观测的磁异常数据，Sager et al.（2019）对2015年（FK51005航次）新采集的磁异常数据和早期53个航磁的数据进行了重新处理，获得了大塔穆地区更为明确的磁异常特征，通过对不同岩浆喷发模式（集中式或线性式）的磁异常特征做进一步对比，提出大塔穆火山的形成与海底扩张紧密相关，为大塔穆火山的形成演化提供了新的解释模型。

大塔穆火山及周边存在正负变化的线型和曲线型磁异常条带（图1），早期研究认为负-正-负的磁异常特征是一次磁性反转事件，在一个磁性倒转周期内形成。在新的研究中，Sager等认为之前的研究忽略了大塔穆火山南北两翼复杂的磁异常模式。基于均匀磁化模型的解释方法虽然能够解释大塔穆火山中心正两翼负的异常特征，但该模型计算的异常与磁异常条带的吻合性差，且该模型反演获得的磁倾角和磁偏角与早白垩世太平洋古地磁场也不一致。他们用傅里叶域的反演方法（Parker and Huestis，1974）来估算地壳磁化强度（图2），结果包含了与磁异常相同的大部分线性异常特征，与岩心等揭示的古地磁数据和岩心磁化强度等也有很好的符合度。 

图 1 大塔穆地区地形及磁异常条带（Sager et al., 2019）

图 2 大塔穆地区磁异常及磁化强度模型（Sager et al., 2019）

新的数据分析表明大塔穆地区磁异常以磁条带特征为主导，并可以用大洋中脊海底扩张模式来进行解释，即：大塔穆火山的海底扩张成因说。通过该工作，他们重建了磁异常条带的演化（图3），重现了太平洋、Izanagi和Farallon三大板块的运动关系。

新的海底扩张成因模型认为：大塔穆虽然确实是一个巨大的火山，但并不像早期认为的盾状火山。早期地震推断大塔穆浅层长达几十千米的熔岩流层，其解释是类比大陆溢流玄武岩省的模式，二者属于不同的环境，仅从二维地震剖面难以追踪单独的熔岩流。对比两个模型（图4），岩浆喷发模型类似于大陆溢流玄武岩的大量喷发，产生垂向上时间连续的岩浆流；扩张模型认为岩浆的时代展布是横向变化的，变化的地壳厚度反映了中脊岩浆喷发的变化。此外扩张模型也可以很好的解释大塔穆地区与周围的地壳没有明显的不连续性特征，自由空间重力异常也非常小，是地壳均衡的一种表现，也暗示该地区没有大型的中心质量聚集现象。 

图 3 大塔穆磁异常形成重建，底图为磁异常图，自上而下分别说明不同时间磁异常条带的位置及其代表的扩张过程（Sager et al., 2019）

图 4 大塔穆火山成因的两种模式图。上：岩浆集中喷发模型，下：洋中脊扩张模型（Sager et al., 2019）

磁异常的研究揭示Shatsky隆起的形成均与海底扩张有关，是伴随地幔熔融在大洋中脊的裂隙性岩浆集中喷发形成的。世界上很多洋底高原也都形成于扩张脊附近，其中一些保留有磁异常条带特征，这也意味洋底扩张可能是洋底高原形成的一种普遍机制。 

如果Shatsky隆起的岩浆来源于地幔柱，岩浆活动则与海底扩张紧密相关，且受控于海底扩张。与此前将海底高原与大陆溢流玄武岩的类比研究也需要重新考虑，这也引发了关于地幔柱在大型海底高原形成中的作用以及地幔过程与浅层构造关系等研究的思考（Whittaker, 2019）。 

Sager教授的团队在大塔穆地区开展了长期的工作，随着海洋地球物理调查的丰富和深入，对该地区的科学认识也在不断修正和深化，该文章也是基于最新地球物理调查资料的研究成果，对全球洋底高原的研究具有重要的意义。   

主要参考文献

1.Parker R L, Huestis S P. The inversion of magnetic anomalies in the presence of topography[J]. Journal of Geophysical Research, 1974, 79(11): 1587-1593.

2.Sager W W, Huang Y, Tominaga M, et al. Oceanic plateau formation by seafloor spreading implied by Tamu Massif magnetic anomalies[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(8): 661-666.

3.Sager W W, Zhang J, Korenaga J, et al. An immense shield volcano within the Shatsky Rise oceanic plateau, northwest Pacific Ocean[J]. Nature Geoscience, 2013, 6(11): 976–981.

4.Whittaker J M. Plateaus from seafloor spreading[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(8): 587-588.

（撰稿：徐亚/油气室）

美编：徐海潮

校对：黄志伟