Nature communications：地幔溫度和板塊厚度對板內火山活動的全球影響
地幔對流是地球內部的重要動力學過程，是板塊構造、大陸形成和漂移、火山作用、地震和造山運動的根本原因(Lowman, 2002)。地幔對流使得地球內部熱能向外傳播，化學物質不斷迴圈，並在地球表面產生動力學地形。約束地幔的熱-化學結構的時空變化將有助於提升對這些相互關聯的現象的理解。然而這個具有巨大挑戰性的課題需要整合多種學科的觀測。
目前探測地幔熱-化學結構的兩種行之有效的方法是火成岩地球化學和地震層析成像，兩者都可以用來確定地幔溫度和化學成分的變化。在火成岩地球化學方法中，對於給定的地幔源的組成，熔融深度和程度主要受軟流圈溫度和岩石圈厚度的控制(McKenzie et al., 2005)。在適當的假設條件下，根據火山岩的位置、體積和組成成分可以分析上地幔頂部的熱結構，然而火山岩的分佈和組成受地幔成分、地幔流幾何結構以及在上升過程中熔體與圍巖之間的相互作用的顯著影響。地震層析成像可獲得整個地幔剪下波速度異常（ΔVs）結構，ΔVs對溫度非常敏感，可以對全球地幔溫度變化提供關鍵約束(Priestley et al., 2006)，但是ΔVs也受到地幔組成和間隙熔體的影響。針對兩種方法各自的不確定性，可以密切結合地球化學觀測和地震層析成像模型，分析火成岩地球化學與上地幔結構之間的關係，將有助於瞭解地幔組成成分、溫度和熔融在地質時期的相互作用(Dalton et al., 2014; Wiens et al., 2006)。
在2014年，Dalton et al. (2014)將這種密切結合地球化學觀測值和剪下波速度異常的方法應用在了岩石圈厚度可以忽略的洋中脊地區。透過分析洋脊剪下波速度、洋脊深度和MORB化學成分的變化的全球相關性，發現洋中脊深度以及MORB的主要化學元素組成主要受地幔溫度變化的影響，洋脊深部最冷點位於海拔最低的地方，最熱點位於洋脊海拔最高的地方（冰島）。
在最新的研究中，針對於更一般的情況，即在軟流圈溫度和岩石圈厚度均發生變化的板內火山區域，Ball et al.(2021) 透過彙編全球範圍內新近紀-第四紀>20000個板內火山岩樣本分佈和化學組成的資料庫，結合全球的上地幔地震波速度模型，建立火山岩的化學組成與地幔地震速度、岩石圈厚度、地幔溫度異常之間的定量關係，揭示了軟流圈熱異常和岩石圈減薄對板內火山形成的主導作用及其對地表過程影響。研究成果發表於Nature Communications上。
作者首先研究了新近紀-第四紀板內火山作用的分佈和火山岩岩石組成、ΔVs和岩石圈厚度之間的關係，研究結果顯示新近紀-第四紀板內火山作用集中在剪下波速度負異常和薄岩石圈區域（<100km）（圖1）；鐵鎂質火成岩中的La/Sm與ΔVs（深度為150±25km）呈正相關（圖2），火成岩的組成可反映軟流圈的溫度變化。另外不相容元素的主成分分析以及與地幔溫度、地球化學和地球物理指標的相關性分析進一步揭示了軟流圈溫度變化是熔體含量的主要影響，岩石圈厚度變化主要影響熔融發生的深度範圍。這些研究結果表明軟流圈溫度變化和岩石圈厚度變化有助於確定板內岩漿作用的空間分佈。
圖1 新近紀-第四紀板內火山分佈。（a）深度為150±25km全球剪下波速度異常平均值（ΔVs）層析成像結果來自SL2013sv模型。黃色圓圈：年齡<10Ma且噴發距離<400km的板內岩漿樣品。（b）利用SL2013sv層析模型的1175 ℃等溫面交點計算岩石圈厚度的空間變化。①②③④分別標識北美洲西部、南美洲最南部、澳大利亞東部以及北非的高海拔的平緩傾斜的晚白堊紀-新生代海相地層出露(Ball et al., 2021)
圖2 空間和地球化學相關性。（a）在150±25km深處，剪下波速度負異常累積面積的百分比。其中黑曲線：全球的累積面積百分比，紅曲線：火山樣品分佈區域中剪下波速度負異常的累積面積百分比。黑/紅色虛線：Δvs<0km/s的全球表面和板內火山活動的百分比。（b）薄岩石圈累積面積Σa百分比。黑色/紅色曲線：薄岩石圈在全球和板內火山樣品分佈區的累積面積百分比; 黑色/紅色帶數字的虛線：全球或板內火山活動區中岩石圈厚度 <100公里的累計面積百分比；（c）La/Sm 與Δvs（150±25km）的相關性；（d）在不同深度La/Sm 與Δvs的相關係數的變化；（e）在不同深度岩石圈厚度與Δvs的相關係數的變化(Ball et al., 2021)
作者還利用地球化學反演方法獲得軟流圈溫度和岩石圈厚度，驚喜地發現在全球範圍內的反演結果與SL2013sv層析成像模(Schaeffer et al., 2013)Vs-T校準的軟流圈溫度和岩石圈厚度相匹配，且軟流圈溫度較高的區域與岩石圈異常薄的區域一致，例如：La/Sm和ΔVs的最低值對應在冰島地幔柱，而在Eifel（EF）和Central Arabia（CA）之間逐漸下降，在Afar（AF）地區又再次增加（圖3）。軟流圈溫度變化ΔTp和地球化學與地震層析成像分別計算的岩石圈厚度都有相應一致的變化趨勢（圖3）。
圖3 計算溫度變化、岩石圈厚度變化和動力學地形之間的關係。（a）分別由地球化學反演模型和SL2013sv地震層析成像模型計算的ΔTp的關係圖；（b）由 SL2013sv 層析模型計算的深度為150±25km 時的ΔTp平均值的空間變化圖；（c）根據（b）中穿過冰島(IC)、北海(NS)、埃菲爾(EF)、安納托利亞(AN)、阿拉伯中部(CA)、阿法爾(AF)和坦尚尼亞(TZ)的橫切面x-x’繪製的海拔圖，藍色多邊形為隆升的新生代海洋地層，（d）、（e）和（f）都沿x-x’繪製；（d）紅色曲線：SL2013sv 層析成像模型計算的150±25km 深處Δvs 的平均值，白圈：平均分佈在距離剖面小於200km的1°範圍平均的La/Sm觀測值，紅圈：樣本數>5的La/Sm值；（e）彩條：根據 SL2013sv 層析模型計算出150±25km深度的ΔTp 平均值。（f）黑線：SL2013sv層析模型計算的岩石圈厚度沿x-x’的變化，帶數條的圓圈：地球化學模擬確定的岩石圈厚度±1.5倍的最小失配度，藍色方框：基於岩石圈地幔減薄和上地幔熱異常，根據海相岩石的海拔估計的現今岩石圈厚度(Ball et al., 2021)
最後，作者將地球化學、地震層析成像研究結果與動力學地形的實際觀測聯絡，發現在多個板內火山活躍的地區（北美洲西部、南美洲最南端、澳大利亞東部和北非）海相地層在新近紀-第四紀都經歷了顯著的區域性隆升，認為地表動力學地形的產生可能是岩石圈厚度減薄與軟流圈溫度升高主導的。
結合以上的研究結果和分析，Ball et al.(2021) 對於板內火山岩的地球化學性質與地震層析成像模型之間的聯絡的定量研究，避免了活動邊界上的各種複雜因素的影響，建立起了新近紀至第四紀板內火山作用、軟流圈溫度正異常以及岩石圈厚度異常薄的全球相關性，進一步補充了全球洋中脊地區的相關研究成果(Dalton et al., 2014)。研究成果還強調了軟流圈溫度變化與岩石圈厚度變化對動力學地形的時空演變有著深遠的影響。由於板內火山作用貫穿整個岩石記錄，火成岩和地層學的聯合分析將有助於進一步探索整個顯生宙地幔對流和地表過程的演化歷史。
主要參考文獻
Ball P, White N, Maclennan J, et al. Global influence of mantletemperature and plate thickness on intraplate volcanism[J]. Naturecommunications, 2021, 12(1): 1-13.
Dalton C A, Langmuir C H, Gale A. Geophysical and geochemicalevidence for deep temperature variations beneath mid-ocean ridges[J]. Science,2014, 344(6179): 80-83.
Lowman J. Mantle Convection in the Earth and Planets[J]. GeophysicalJournal International, 2002, 150: 827-827.
McKenzie D, Jackson J, Priestley K. Thermal structure of oceanic andcontinental lithosphere[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 233(3):337-349.
Priestley K, McKenzie D. The thermal structure of the lithospherefrom shear wave velocities[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2006,244(1-2): 285-301.
Schaeffer A, Lebedev S. Global shear speed structure of the uppermantle and transition zone[J]. Geophysical Journal International, 2013, 194(1):417-449.
Wiens D A, Kelley K A, Plank T. Mantle temperature variationsbeneath back-arc spreading centers inferred from seismology, petrology, andbathymetry[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2006, 248(1-2): 30-42.
（撰稿：李聃聃，田小波/岩石圈室）
校對：張騰飛、姜雪蛟
