近日，我校地球物理與空間信息學(xué)院胡祥云教授帶領(lǐng)的“深地資源與電磁探測(cè)”研究團(tuán)隊(duì)，與國(guó)內(nèi)外合作者，在國(guó)際著名期刊《國(guó)家科學(xué)論評(píng)》（National Science Review）發(fā)表了題為《Mantle plume trail beneath the ca.1.1 Ga North American Midcontinent rift revealed by magnetotelluric data》（大地電磁數(shù)據(jù)揭示的北美中陸大裂谷下的地幔柱軌跡）的學(xué)術(shù)論文，提出了北美大陸中央大裂谷與地幔柱相互作用的新模型。論文通訊作者為地球物理與空間信息學(xué)院胡祥云教授，論文第一作者為林武樂(lè)博士。
大陸，作為人類(lèi)進(jìn)化和文明發(fā)展的所在，它在時(shí)間和空間尺度上有著明顯的差異、充滿(mǎn)著日常和突發(fā)的過(guò)程，卻并未得到很好的理解。大陸表面已被廣泛的研究和成圖，但就形成和演化過(guò)程以及深度特性而言，大陸巖石圈的研究程度尚不充分。
形成于約11億年前的北美中陸大裂谷系統(tǒng)（Midcontinent Rift, MCR）是存在于太古宙勞倫大陸蘇必利爾省內(nèi)發(fā)育失敗的大陸裂谷，是北美大陸中部重要的前寒武地質(zhì)特征之一。裂谷時(shí)期出露于蘇必利爾湖附近的大量的火成巖，被認(rèn)為是先存結(jié)構(gòu)的再活化、基維諾地幔柱的上涌和減壓熔融、或異常熱/富集地幔的上涌共同作用的結(jié)果。東、西兩支相交的裂谷分支橫跨太古宙和古元古代單元；西側(cè)分支向西南延伸約2000公里，東側(cè)分支被格林維爾造山帶截?cái)唷CR與地幔柱上方大陸裂谷的經(jīng)典三分支相交模型（three-arm model）形成鮮明對(duì)比，即向北的第三裂谷分支或拗拉槽的缺失，以及東西兩相交的裂谷分支偏離推斷的地幔柱中心約300公里等問(wèn)題，尚未得到很好的理解。
圖1 (a)北美大陸中部構(gòu)造簡(jiǎn)圖，紅色方框表示研究區(qū)域，更多細(xì)節(jié)見(jiàn)(b)。淺藍(lán)色和深灰色粗虛線(xiàn)分別代表根據(jù)金伯利巖露頭和200千米深處的地震證據(jù)推斷出的Great Meteor熱點(diǎn)軌跡。紅星代表推測(cè)的基維諾地幔柱中心。(b)研究區(qū)域的區(qū)域地質(zhì)以及與MCR有關(guān)的侵入體，白線(xiàn)表示地層邊界，紅色和藍(lán)色三角形分別代表本研究中使用的EarthScope和Lithoprobe MT臺(tái)站。
為探究這種獨(dú)特的地幔柱-裂谷關(guān)系，并更好地約束受基維諾地幔柱沖擊的區(qū)域，研究團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)EarthScope和加拿大Lithoprobe計(jì)劃中的大地電磁（magnetotelluric, MT）數(shù)據(jù)，構(gòu)建了MCR向北延伸至太古宙蘇必利爾省下方的地殼-上地幔三維電阻率模型。模型顯示，在西蘇必利爾克拉通巖石圈地幔底部存在一突出的高導(dǎo)電異常，異常呈西北-東南走向，與MCR西側(cè)分支交叉，向兩側(cè)延伸300多公里。
圖2 MT 三維反演得到的優(yōu)選電阻率模型。(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臺(tái)站，粗黑實(shí)線(xiàn)表示MCR，白線(xiàn)表示子省邊界。(c)中的黑色虛線(xiàn)表示東蘇必利爾低速區(qū)的西部邊界。(d)和(e)為垂直剖面A-A'和B-B'，其位置如(b)所示。白色虛線(xiàn)表示地震結(jié)果推斷的莫霍面和LAB界面。(f)20千米深度以下低電阻率異常(≤10Ω.m)透視圖。剖面A-A'和C-C'的位置見(jiàn)(b)。C表示高導(dǎo)體，R表示高阻體。
已有研究中推斷的基維諾地幔柱中心，與之同時(shí)期的Duluth和其它承載大量硫化物礦床的層狀基性侵入復(fù)合體，North Shore火山巖流以及基性巖墻群覆蓋了該高導(dǎo)異常的不同部分。因此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該異常反映了古地磁研究推斷的勞倫大陸在基維諾地幔柱上方快速向南運(yùn)動(dòng)有關(guān)的地幔柱軌跡。并認(rèn)為僅存于此段軌跡的高導(dǎo)電性是由富含硫化物的基底巖石圈地幔的交代作用和/或部分熔融作用造成的，而熔融作用正是蘇必利爾省這一地區(qū)巖漿硫化物礦床的來(lái)源。
圖3蘇必利爾湖周?chē)叵聨r石圈底部導(dǎo)電異常形成的可能模式。綠色為火山巖。(a)蘇必利爾省的一段巖石圈富含硫化物，基威諾地幔柱對(duì)蘇必利爾湖周?chē)鷰r石圈的撞擊為礦物顆粒間硫化物的相互連接提供了潛在的機(jī)制，從而產(chǎn)生了觀(guān)測(cè)到的高導(dǎo)電性特征。在地幔柱充擊過(guò)程中，先前存在的裂谷區(qū)域被重新激活，從而在蘇必利爾湖周?chē)纬闪撕榉e玄武巖巖漿活動(dòng)、地殼底侵、基性-超基性侵入體以及富硫化物礦床。蘇必利爾省內(nèi)的零散MT異常很可能是由于太古宙熱液流和巖漿噴發(fā)造成的。(b)在MCR形成期間，勞倫大陸以大于20厘米/年的速度向南（按現(xiàn)在的方向）快速運(yùn)動(dòng)，切斷了與地幔柱的聯(lián)系，留下了區(qū)域性的 NW-SE 走向的高導(dǎo)跡線(xiàn)。
研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)有研究推斷的地幔柱中心的位置提供了支持，認(rèn)為早期形成的裂谷幾何形狀受先前存在的太古宙構(gòu)造控制，這也解釋了為什么MCR缺乏經(jīng)典的三分支、僅與地幔柱有關(guān)的裂谷構(gòu)造。該研究為理解北美中陸大裂谷的形成提供了新視角，也對(duì)探究硫化物礦床和未來(lái)資源勘查具有啟示意義。
該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金委（42220104002、42327803）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF0802800）以及國(guó)家留學(xué)基金委（201906410007）等的聯(lián)合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae239
鄂公網(wǎng)安備 42011102004169號(hào)
