科研成果
西南印度洋中脊50°E横波速度结构与岩性特征
时间：2023年02月09日
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洋中脊，尤其是超慢速扩张洋中脊（例如：半扩张速度小于10 mm/year），其海洋地壳岩石学性质是反映海洋地壳增生过程的重要证据。目前学术界的一个主要争论是洋壳层3的岩石组分是由充足岩浆形成的辉长岩还是由于缺少岩浆导致地幔岩与水相互作用形成的蛇纹石化橄榄岩？当缺少穿透莫霍面的大洋钻探岩石样品时，使用海底地震仪（OBS）主动源地震探测同时采集的压缩波（P波）和剪切波（S波）信息，可以获得海洋地壳的波速比和泊松比结构（图1-2, 3a, 3b），有望区分海洋地壳的岩性。例如Grevemeyer et al.（2018）验证了蛇纹石化地幔的Vp/Vs波速比为1.9， 而玄武岩和辉长岩组成的洋壳的Vp/Vs波速比为1.75-1.85 （e.g., Carlson and Miller, 2004；Christensen, 2004），认为Vp/Vs波速比值是区分蛇纹石化地幔的有效方法（图3c） 。但Bayrakci et al. （2018）通过分析慢速／超慢速扩张洋中脊采集的岩石样品在50 Mpa环境下的Vp/Vs波速比（或等同于泊松比），发现基性岩（mafic）和超基性岩（ultramafic）无法用Vp/Vs波速比区分，有一定的重叠区（图3d）。因此，如何使用主动源地震波信息来研究海洋地壳的岩性存在较大的挑战。
图 1. OBS剖面工区位置和水深示意图。地形数据为中国大洋科考21航次第6航段船载多波束数据和Sauter et al. (2001)实测数据。白色实线（AB）为OBS剖面的位置。红色五角星为龙旂热液活动区，蓝色五角星为断桥热液活动区。白色标注数字的圆圈为OBS的位置和编号。红色实线标注了岩浆扩张段，红色虚线为非转换断层不连续带（NTD）。白色双虚线为磁异常条带(Sauter et al., 2009)，C4n (8.072 Ma), C3An (5.894 Ma), C3n (4.18 Ma), C2An (2.581 Ma)。左上插图为研究区（红色矩形）在全球的位置示意图，BTJ：Bouvet三联点，RTJ: Rodriguez三联点。
图 2. (A) P 波速度结构，(B) S 波速度结构，(C)波速比结构，(D) 泊松比结构。模型分层和莫霍面标注位于图右侧，红色（A和B中）和黄色（C和D中）粗实线代表有PmP反射震相约束的莫霍面。每幅图底部的箭头为下图（图3a，3b）中1-D曲线的位置。每种结果的图例位于该图下方。
图3. (a), 岩浆扩张中心（红色实线和虚线）和NTD（蓝色实线和虚线）下方的1-D 速度-深度结构曲线，灰色阴影区为Christeson et al. (2019)整理的半扩张速率为5-20 mm/year 且年龄小于7.5 Ma洋中脊的洋壳P波速度结构范围。可以看到我们西南印度洋中脊研究区结果与Christeson et al. (2019)统计的结果基本一致，但岩浆扩张中心洋壳偏厚。
(b), 岩浆扩张中心（红色虚线）和NTD（蓝色虚线）下方的1-D 波速比(或等同于泊松比)-深度结构曲线。绿色虚线为超慢速扩张Mohns洋中脊的1-D 波速比(或等同于泊松比)-深度结构曲线(Klingelhöfer et al., 2000)。Mohns洋中脊的洋壳薄（< 4.0 km），洋壳层3可能为100%辉长岩或辉长岩和10-40%的蛇纹石化橄榄岩的混合体。与我们西南印度洋中脊研究区岩浆扩张中心有明显差别，但与NTD相似。
(c), 使用Vp/Vs波速比（或等同于泊松比）来区分洋壳的岩石性质。蓝色、绿色、红色和橙色背景分别代表蛇纹石化橄榄岩、正常地幔橄榄岩、辉长岩和玄武岩的分布范围（Grevemeyer et al., 2018)。蓝色和红色圆点分别代表西南印度洋中脊50°E岩浆活动中心和NTD下方的Vp/Vs波速比（或等同于泊松比）。绿色虚线为超慢速扩张Mohns洋中脊的Vp/Vs波速比(Klingelhöfer et al., 2000)。黄色箭头的头和尾分别代表P 波速度为7.0 km/s和S波速度为4.0 km/s的辉长岩中增加3% 到10%熔融物产生的Vp/Vs波速比变化范围(Jian et al., 2017)。
(d), 使用岩石样品在50 Mpa环境下的Vp/Vs波速比（或等同于泊松比）来区分洋壳的岩石性质(Bayrakci et al. 2018)。通过把主动源OBS地震数据反演获得的西南印度洋中脊50°E岩浆活动中心和NTD下方的Vp/Vs波速比（或等同于泊松比）与在慢速／超慢速扩张洋中脊采集的岩石样品在50 Mpa环境下的Vp/Vs波速比（或等同于泊松比）对比，发现基性岩（mafic）和超基性岩（ultramafic）无法用Vp/Vs波速比区分，有一定的重叠区（黑色虚线多边形区域）。
图4. 使用P波速度梯度区分洋壳岩石性质。红色和橙色阴影区分别为Christeson et al. (2019)统计整理的半扩张速率为5-20 mm/year 且年龄小于7.5 Ma洋中脊洋壳层2和洋壳层3的P波速度梯度范围，其中蓝色实线和绿色实线为洋壳层2和洋壳层3的P波速度梯度平均值。蓝色阴影区为蛇纹石化橄榄岩P波速度梯度范围，其计算方法基于蛇纹石化橄榄岩的速度变化范围为5.0-8.0 km/s，厚度变化范围为2-5 km (Minshull, 2009)得出。蓝色、红色和橙色阴影区在Vp/Vs波速比或泊松比上的划分参考了 Grevemeyer et al. (2018)。结果表明，基于全球半扩张速率为5-20 mm/year 且年龄小于7.5 Ma洋中脊下方P波速度梯度变化范围，推测西南印度洋中脊50°E岩浆活动中心和NTD下方洋壳层3的岩性为辉长岩。确认了研究区存在充足的岩浆供给。
我所海底演化与动力过程团队牛雄伟等针对超慢速扩张西南印度洋中脊50°E龙旂和断桥热液活动区的洋壳结构（图1-2），基于2010年中国大洋科考21航次第6航段采集的OBS主动源P波和S波数据，使用射线追踪试错法正反演（Zelt and Smith, 1992），获得了扩张轴下方的P波速度（Vp）、S波速度（Vs）、Vp/Vs和泊松比结构（图2-3）。结果表明在岩浆扩张段第27和28段下方，洋壳层2A、层2B和层3中的S波速度分别为1.0~1.6、2.5~3.3和3.6~4.0 km/s。在这两个扩张段之间的非转换断层不连续带（NTD）下方，洋壳层 2A、层2B 和 层3 中的 S波速度分别为 1.3~1.7、2.2~3.2 和 3.5~3.9 km/s。由于Vp/Vs波速比值和其等同的泊松比用来区分辉长岩和蛇纹石化橄榄岩存在较大的不确定性（e.g., Bayrakci et al., 2018；Klingelhöfer et al., 2000），因此，我们使用P波速度梯度结构来区分辉长岩和蛇纹石化橄榄岩。基于全球半扩张速率为5-20 mm/year 且年龄小于7.5 Ma洋中脊下方P波速度梯度变化范围，推测西南印度洋中脊50°E岩浆活动中心和NTD下方洋壳层3的岩性为辉长岩（图4）。在洋壳层3未发现明显的蛇纹石化橄榄岩。NTD 下方存在的裂隙比第 27 和 28扩张段下方多可能是导致NTD下方S波速度偏低的原因。本研究获得的达10 km厚的玄武岩-辉长岩型洋壳为超慢速扩张西南洋中脊50°E存在充足岩浆供给提供了证据。
该研究成果为使用主动源海底地震探测方法获得的纵横波速度结构来推测海洋地壳岩性，进行探讨海洋岩石圈形成演化过程提供了重要思路和证据。相关结果发表在Geophysical Journal International。 详细内容和相关参考文献见论文原文。
Niu, Xiongwei（牛雄伟）, T.A. Minshull, Jiabiao Li*（李家彪）, Aiguo Ruan*（阮爱国）, Zhenli Wu（吴振利）, Wei Wang（王伟）, Yan Li（李龑）, G Bayrakci, Chongzhi Dong（董崇志）, Weiwei Ding（丁巍伟）, Yinxia Fang（方银霞）, Jie Zhang（张洁）. Shear wave velocity structure and crustal lithology beneath the ultra-slow spreading Southwest Indian Ridge at 50°E. Geophysical Journal International. (2023) 233, 1416–1428. http://doi.org/10.1093/gji/ggac516.
