我校胡祥云教授团队揭秘地幔柱-裂谷相互作用机制

近日，我校地球物理与空间信息学院胡祥云教授带领的“深地资源与电磁探测”研究团队，与国内外合作者，在国际著名期刊《国家科学论评》（National Science Review）发表了题为《Mantle plume trail beneath the ca.1.1 Ga North American Midcontinent rift revealed by magnetotelluric data》（大地电磁数据揭示的北美中陆大裂谷下的地幔柱轨迹）的学术论文，提出了北美大陆中央大裂谷与地幔柱相互作用的新模型。论文通讯作者为地球物理与空间信息学院胡祥云教授，论文第一作者为林武乐博士。

大陆，作为人类进化和文明发展的所在，它在时间和空间尺度上有着明显的差异、充满着日常和突发的过程，却并未得到很好的理解。大陆表面已被广泛的研究和成图，但就形成和演化过程以及深度特性而言，大陆岩石圈的研究程度尚不充分。

形成于约11亿年前的北美中陆大裂谷系统（Midcontinent Rift, MCR）是存在于太古宙劳伦大陆苏必利尔省内发育失败的大陆裂谷，是北美大陆中部重要的前寒武地质特征之一。裂谷时期出露于苏必利尔湖附近的大量的火成岩，被认为是先存结构的再活化、基维诺地幔柱的上涌和减压熔融、或异常热/富集地幔的上涌共同作用的结果。东、西两支相交的裂谷分支横跨太古宙和古元古代单元；西侧分支向西南延伸约2000公里，东侧分支被格林维尔造山带截断。MCR与地幔柱上方大陆裂谷的经典三分支相交模型（three-arm model）形成鲜明对比，即向北的第三裂谷分支或拗拉槽的缺失，以及东西两相交的裂谷分支偏离推断的地幔柱中心约300公里等问题，尚未得到很好的理解。

图1 (a)北美大陆中部构造简图，红色方框表示研究区域，更多细节见(b)。浅蓝色和深灰色粗虚线分别代表根据金伯利岩露头和200千米深处的地震证据推断出的Great Meteor热点轨迹。红星代表推测的基维诺地幔柱中心。(b)研究区域的区域地质以及与MCR有关的侵入体，白线表示地层边界，红色和蓝色三角形分别代表本研究中使用的EarthScope和Lithoprobe MT台站。

为探究这种独特的地幔柱-裂谷关系，并更好地约束受基维诺地幔柱冲击的区域，研究团队利用美国EarthScope和加拿大Lithoprobe计划中的大地电磁（magnetotelluric, MT）数据，构建了MCR向北延伸至太古宙苏必利尔省下方的地壳-上地幔三维电阻率模型。模型显示，在西苏必利尔克拉通岩石圈地幔底部存在一突出的高导电异常，异常呈西北-东南走向，与MCR西侧分支交叉，向两侧延伸300多公里。

图2 MT 三维反演得到的优选电阻率模型。(a-c)33-38千米、89-102千米和179-206千米深度的水平切面。黑圈表示MT台站，粗黑实线表示MCR，白线表示子省边界。(c)中的黑色虚线表示东苏必利尔低速区的西部边界。(d)和(e)为垂直剖面A-A'和B-B'，其位置如(b)所示。白色虚线表示地震结果推断的莫霍面和LAB界面。(f)20千米深度以下低电阻率异常(≤10Ω.m)透视图。剖面A-A'和C-C'的位置见(b)。C表示高导体，R表示高阻体。

已有研究中推断的基维诺地幔柱中心，与之同时期的Duluth和其它承载大量硫化物矿床的层状基性侵入复合体，North Shore火山岩流以及基性岩墙群覆盖了该高导异常的不同部分。因此，研究团队认为该异常反映了古地磁研究推断的劳伦大陆在基维诺地幔柱上方快速向南运动有关的地幔柱轨迹。并认为仅存于此段轨迹的高导电性是由富含硫化物的基底岩石圈地幔的交代作用和/或部分熔融作用造成的，而熔融作用正是苏必利尔省这一地区岩浆硫化物矿床的来源。

图3苏必利尔湖周围地下岩石圈底部导电异常形成的可能模式。绿色为火山岩。(a)苏必利尔省的一段岩石圈富含硫化物，基威诺地幔柱对苏必利尔湖周围岩石圈的撞击为矿物颗粒间硫化物的相互连接提供了潜在的机制，从而产生了观测到的高导电性特征。在地幔柱充击过程中，先前存在的裂谷区域被重新激活，从而在苏必利尔湖周围形成了洪积玄武岩岩浆活动、地壳底侵、基性-超基性侵入体以及富硫化物矿床。苏必利尔省内的零散MT异常很可能是由于太古宙热液流和岩浆喷发造成的。(b)在MCR形成期间，劳伦大陆以大于20厘米/年的速度向南（按现在的方向）快速运动，切断了与地幔柱的联系，留下了区域性的 NW-SE 走向的高导迹线。

研究结果对现有研究推断的地幔柱中心的位置提供了支持，认为早期形成的裂谷几何形状受先前存在的太古宙构造控制，这也解释了为什么MCR缺乏经典的三分支、仅与地幔柱有关的裂谷构造。该研究为理解北美中陆大裂谷的形成提供了新视角，也对探究硫化物矿床和未来资源勘查具有启示意义。

该研究受到国家自然科学基金委（42220104002、42327803）、国家重点研发计划（2022YFF0802800）以及国家留学基金委（201906410007）等的联合资助。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae239。