记者近日获悉,中国科学院南海海洋研究所林间团队张锦昌副研究员与多国科学家合作,通过详细分析最新采集的海洋磁测数据,获得了西太平洋大塔穆火山形成机制的新认识,相关成果发表在《Nature
Geoscience》上,题目为Oceanic plateau formation by seafloor spreading
implied by Tamu Massif magnetic
anomalies。西太平洋是地球上巨型海底火山最密集的区域,但是关于巨型海底火山的形成机制至今存在很大争议。作为全球第三大洋底高原的沙茨基海隆就是其中代表,它高约4千米,面积约50万平方千米,体积近700万立方千米。沙茨基海隆主要由几座已停止活动的巨型海底火山组成,其中最大的是大塔穆火山。该火山具有时空分布连续的火山结构、较薄的火山盖顶沉积、良好的地磁场分布以及成熟的大洋地壳等特征,同时具有洋中脊三联点的构造背景,是研究巨型海底火山、洋底高原、海洋大火成岩省等形成机制、验证地幔柱和板块成因假说的天然实验室。2013年张锦昌与美国、日本科学家合作,通过分析高分辨率主动源地震探测资料、高精度海底地形以及大洋钻探岩芯数据,发现大塔穆火山是一座单体的、巨型盾状火山,其宽度和面积堪比目前人类探明的最大火山-火星上的奥林帕斯山。因此研究得出大塔穆火山是地球上最大的单体火山,并且该发现被选为《Nature》2013年度十大科学新闻。然而研究人员对这座火山是怎样形成一直存在疑惑。主流的地幔柱和板块两种成因假说都有不少实际观测证据支持,但同时也存在一些矛盾与不符。2015年张锦昌作为联合首席科学家,继续与国际科学家合作,共同带领团队重返大塔穆火山进行海上调查。航次的首要目的是采集高密度的海洋磁测数据,以精细地重构大塔穆火山的演化历史并解剖其形成机制。经过几年的科研攻关,2019年研究人员成功绘制出最新、最详尽的大塔穆火山磁异常图,并反演出火山内部的磁性结构。这次研究发现大塔穆火山具有显著的条带状磁异常特征,类似于洋中脊,是海底扩张过程的岩浆产物。这个新认识挑战了之前广泛接受的地幔柱成因假说,因为大塔穆火山并不是像地幔柱预测那样由于较短时间内、快速的大面积岩浆喷发而熔岩展现出非线性的磁性结构。相反,尽管大塔穆火山地壳厚度巨大并呈现超低倾角火山盾,但是熔岩喷发始终被约束于洋中脊,不会流出脊中心很远,进而产生线性、横向的火山结构。这次新的发现表明了大塔穆火山的地表岩浆作用主要受控于海底扩张模式;而考虑到其硕大体量,明显有别于全球洋盆里诸多的正常洋中脊。大塔穆火山形态上是盾状火山,但是表面熔岩没有大面积、长距离扩散,而且内部结构也不是垂向叠加而成。另外一方面,大塔穆火山构造上是洋中脊模式,但是地壳超厚,而且地壳厚度随着时间发生巨大变化,说明岩浆供应量极其不稳定。因此,大塔穆火山既不是典型的盾状火山,也不是典型的洋中脊,也许它是一个混合型的巨型海底火山类型。这种新型的火山能否被重新定义、地球上最大的单体火山这个命名是否仍然准确,有待日后研究进一步查明。大塔穆火山研究成果是多国科学家合作的结果。美国休斯顿大学Sager教授是大塔穆火山研究的牵头科学家,他与张锦昌是2015年海洋磁测调查航次的联合首席科学家。Sager、长江大学讲师黄彦铭博士、张锦昌为上述成果论文的共同通讯作者。该成果受到了国家重点研发计划项目与中国科学院项目等资助。
相关论文信息:图一,大塔穆火山及周边的地形图与过往已查明的磁异常条带;最新绘制的大塔穆火山磁异常图与磁性结构反演。图二,大塔穆火山形成机制对比示意图,火山脉冲式喷发模式、海底扩张模式。最新研究成果发现该火山具有显著的条带状磁异常特征,符合海底扩张模式。

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地球上最大的单体火山有多大?跟不列颠群岛差不多。日前,休斯顿大学的科学家在太平洋西北部的沙茨基海台(Shatsky
Rise)上发现了世界上最大的单体火山大塔穆火山(Tamu
Massif)。相关研究结果9月5日发表在《自然-地球科学》上。

Nature Geoscience:大塔穆火山成因新解

大塔穆火山的面积达到31万平方千米,这令此前最大的火山——夏威夷的冒纳罗亚火山(Mauna
Loa)相形见绌。研究的第一作者、休士顿大学地球与大气科学系的教授威廉·塞杰尔(William
Sager)指出,大塔穆火山仅仅比火星的奥林帕斯山(Olympus
Mons)小大约25%,而奥林帕斯山已经是太阳系最大的火山了。

大塔穆火山是位于西北太平洋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。

研究者表示,大塔穆火山是一座死火山。早在白垩纪早期,也就是大约1.44亿年前,这座火山就已形成。在活跃了好几百万年之后,大塔穆火山就陷入了沉寂。

一般认为大多数海洋高原都是巨大的玄武岩火山,Sager et
al.通过多道地震剖面探测和综合大洋钻探岩石样品,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.对2015年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。

皇家88平台注册 2大塔穆火山(Tamu
Massif)、冒纳罗亚火山与奥林帕斯山高度与宽度比较示意图。图片来源:
Nature

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,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来估算地壳磁化强度,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。

尽管面积很大,大塔穆火山却是个“矮个子”——它的宽度达到650千米,却只有4千米高。塞杰尔说:“那儿的山坡很平缓。如果你站在这座山上,你也许很难分辨哪条路是下山的。”这可能是因为从大塔穆火山喷发的熔岩有着较高的泻流速率,因而熔岩流动的距离更远。

图 1 大塔穆地区地形及磁异常条带

由于火山的山顶比洋面要低1980米,这个庞然大物一直潜伏在海底,深藏身与名,却令研究者费尽心思。塞杰尔和同事研究沙茨基海台已经几十年了,一心想要解决海台的形成之谜。然而,“要研究海底的结构,真的非常困难。”塞杰尔说。

图 2 大塔穆地区磁异常及磁化强度模型

皇家88平台注册 3大塔穆火山的3D图像。N指向北方。图片来源:
William Sager

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