南科大郭震团队揭示长白山火山壳幔岩浆系统精细空间展布特征
2022年07月05日 科研新闻 浏览量 :884

近日,南方科技大学海洋科学与工程系助理教授郭震团队在揭示长白山火山壳幔岩浆系统精细空间展布特征的研究上取得了重要进展,相关研究成果以“Crust and uppermost mantle magma plumbing system beneath Changbaishan intraplate volcano, China/North Korea, revealed by ambient noise adjoint tomography”为题在地球科学自然指数权威期刊《地球物理研究快报》(Geophysical Research Letters)上发表。

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火山活动能将地球深部的物质和能量带上地表,可以为研究地球形成演化、物质组成以及相关动力学过程提供丰富的实验素材。因此,开展火山研究对于揭示地球内部结构及其演化过程至关重要。作为环太平洋火山链的一部分,中国东北地区发育众多第四纪板内火山(板块内部的火山,与洋中脊和俯冲带等板块边界火山相区别)活动,包括长白山火山、龙岗火山和镜泊湖火山等(图1)。它们的形成机制难以用经典的板块构造理论和地幔柱模型加以解释,因此其动力学成因历来是地球科学领域的研究热点。其中,位于中朝边境的长白山火山是我国现存规模最大、保存最为完整和潜在喷发危险最强的一座活火山。长白山火山自形成以来曾多次发生剧烈喷发,造成了国际性的影响,约在公元946年的“千年大喷发”被认为是近两千年以来全球最大的火山喷发事件之一,其喷出的火山灰贯穿了中国东北、俄罗斯远东地区、朝鲜半岛和日本海,甚至在北极格陵兰岛的冰芯中都有记录。

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图1研究区域构造背景和地震台站分布图。红色拖尾火山标志代表第四纪板内火山:CBV=长白山火山;LGV=龙岗火山;JPHV=镜泊湖火山。白色虚线表示西太平洋俯冲板片的等深线(单位km)。黑色实线代表郯庐断裂带(TLFZ),SLB表示松辽盆地。黑色、绿色、紫色和蓝色三角形分别代表NECESSArray流动台、NECsaids流动台、MPRC流动台和CEA固定台的位置。青色多边形代表背景噪声波形伴随成像中做正演模拟的区域。左上角插图给出了研究区在更大地图范围中的具体位置;顶部中间插图是长白山天池火山口的全景图。

2002至2005年间,长白山火山处于一个较为活跃的时期,地震活动性的增加、地表上隆的GPS形变观测以及温泉气体地球化学组分异常表明这个时期长白山火山下方有岩浆活动的迹象。近年来,有关长白山火山是否存在潜在喷发危险的讨论引起了国内外学者的广泛关注,但是人们目前对于长白山火山浅部岩浆系统的认识相对比较匮乏,火山下方是否存在壳内岩浆房?如果存在,壳内岩浆房的深度位置、形态规模及其热状态情况如何?前人运用不同地球物理探测手段得到的研究结果对这些问题的认识仍存在较大分歧。


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图2 三维剪切波速度成像结果图。(a-d)给出了上、中、下地壳和上地幔顶部深度位置剪切波速度的横切片成像结果。(e-g)绘制了三条跨火山的纵剖面剪切波速度成像结果,剖面的地表测线位置如图a所示。

研究团队汇集了长白山火山及邻区(包括朝鲜境内)布设的多个密集流动地震台阵和区域固定台网的观测数据(图1中三角形),采用新近发展的背景噪声波形伴随成像方法获得了研究区高精度的三维剪切波速度结构模型,成像结果(图2)表明:长白山火山下地壳存在一个椭球状的显著低波速异常体,可能代表了壳内深部岩浆聚集体(晶粥体,mush zone),该晶粥体可能是幔源基性岩浆向中酸性岩浆发生演化的主要场所,结合区域岩石学和高温高压岩石物理实验得到的经验公式计算该晶粥体的部分熔融程度大约为1.5%-3.6%。相比之下,龙岗火山和镜泊湖火山的壳内低速异常幅值较弱,形态分散,可能主要反映了温度异常。这一横向结构差异很好地解释了为什么龙岗火山和镜泊湖火山是单成因火山(只有基性岩浆的喷发),而长白山火山则表现为典型的双峰式火山作用(同时具有基性和酸性岩浆的喷发)。长白山火山、龙岗火山以及镜泊湖火山的上地幔顶部均展现出近垂直、狭窄的柱状低速异常,可能指示了幔源岩浆上涌输运的通道,这些岩浆通道内的部分熔融程度估算为6%左右,这与前人地球化学和热化学研究推算的地幔源区岩浆部分熔融程度(2%-10%和3%-6%)基本一致。该研究精细刻画出了长白山火山地壳和上地幔顶部岩浆系统的三维空间展布特征,为深入理解认识典型板内火山作用的动力学成因及其喷发机制提供了重要的地震学约束。

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图3长白山火山地壳-上地幔顶部岩浆系统三维空间展布特征。红色椭球状曲面表示剪切波速度为3.45 km/s的等值面,代表了下地壳晶粥体(mush)的位置。淡黄色曲面是剪切波速度为3.80 km/s的等值面,代表了上地幔顶部岩浆上涌输运的通道。

该论文的第一作者是南科大海洋科学与工程系博士后范兴利(现为成都理工大学副研究员),通讯作者为郭震,合作者包括南科大海洋科学与工程系博士生赵杨和中科院地质地球所研究员陈棋福。南科大是论文第一单位。以上研究得到了国家自然科学基金和吉林长白山火山国家野外科学观测研究站的联合资助。

 

论文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2022GL098308 

 

供稿:海洋科学与工程系

通讯员:颜莎

主图:丘妍

编辑:朱增光


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