美国东北部地区地幔异质性的磁通量大地电研究

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：A Magnetotelluric Study of Mantle Heterogeneities Beneath the Northeastern United States

磁测电法揭示北美东北部地幔存在显著异质性，包括Northern Appalachian Anomaly（NAA）边缘的低电阻率异常和西部深层高电阻率特征。低阻区域需部分熔融、挥发物或含水的单斜辉石岩等机制解释，深层高阻可能为脱水岩石圈。研究整合热力学模型和实验数据，表明挥发物和岩石类型变化共同塑造地幔电导率，支持边缘对流驱动和古俯冲作用。

　　在这项研究中，科学家们利用磁告诉斯基（MT）数据对美国东北部地区上地幔的电导率进行了详细分析，揭示了该区域地幔的显著异质性。研究区域涵盖了北方阿巴拉契亚异常（NAA）及其周边地区，这是一片地质历史复杂、经历了多期造山运动和裂谷作用的区域。研究结果表明，NAA边缘的低电阻率异常不能单纯用温度变化来解释，更可能是由挥发性物质，如富含水的熔融体或含挥发性物质的矿物相引起。这表明，地幔中不仅存在温度差异，还存在显著的化学成分变化，对电导率有重要影响。

研究中使用的MT数据来自EarthScope USArray项目，覆盖了东北部大部分地区，并在马萨诸塞州东南部补充了两个长周期MT站点。通过三维电阻率模型的构建，科学家们能够更精确地描绘出地幔结构，发现多个显著的导电特征（C1、C2、C3）以及一个深部高电阻率特征（R1）。这些导电特征可能与局部熔融、含水或含碳的矿物相有关，而高电阻率特征则可能代表干且贫化的地幔块，尽管其性质仍存在不确定性。这一发现为理解东北部地区的地幔结构和地球动力学提供了新的视角。

研究发现，C1、C2、C3等导电特征在温度和矿物组成方面均表现出独特的特征。例如，C1位于新罕布什尔州北部，其电阻率值为20欧姆·米，远低于周围地幔的典型值。这一异常需要比干地幔或含水地幔更高的温度才能解释，表明其可能是由含碳酸盐的熔融体或某些含挥发性物质的矿物相引起的。类似地，C2和C3也表现出显著的低电阻率特征，其对应的温度远高于传统地幔固相线。这些结果提示，地幔中的导电性不仅与温度有关，还受到矿物组成、含水性、含碳量等因素的共同影响。

此外，研究还探讨了地幔中其他可能的导电机制，如石墨和硫化物的存在。石墨是一种具有高导电性的矿物，可能在某些情况下显著影响地幔的电导率。然而，由于石墨在高温高压下的稳定性有限，其在地幔中的分布和丰度仍存在较大不确定性。硫化物虽然也能增强电导率，但通常以低体积分数的形式存在，难以解释大规模的导电异常。因此，这些矿物可能不是NAA边缘导电特征的主要原因，但它们的存在仍需进一步研究。

研究还指出，地幔中的某些替代性岩石类型，如含水的辉石岩（clinopyroxenites）可能对导电性有重要贡献。这些岩石在地幔中可能形成局部的高导电区域，而无需引入大量熔融体。此外，含水的辉石岩具有较高的水储存能力，能够通过质子传导增强电导率。这些发现进一步支持了地幔中存在化学异质性的观点，而不仅仅是温度引起的物理变化。

研究还对R1这一深部高电阻率特征进行了深入分析。R1位于西部新英格兰地区，其电阻率值超过700欧姆·米，可能代表干且贫化的地幔块。然而，由于MT数据对高电阻率结构的敏感度较低，R1的具体性质仍存在不确定性。此外，R1的高电阻率可能与地幔中某些矿物相的缺失有关，如玄武岩或橄榄石等高导电矿物。尽管没有观测到与R1相对应的高地震速度异常，但研究认为这可能与当前地震模型的局限性有关，而不是R1本身不具有这些特性。

研究还指出，MT数据的分辨率和灵敏度在一定程度上限制了对地幔异质性的精确解释。例如，地表的MT站点间距为70公里，这对于详细的地壳成像来说并不理想，可能导致某些浅层导电异常的解释出现偏差。因此，未来的研究需要更密集的MT站点布置，以提高对地幔结构的分辨率。此外，将MT数据与地震成像、地球化学和地球动力学模型相结合，能够更全面地揭示地幔的物理和化学状态，以及其演化过程。

总体而言，这项研究为理解美国东北部地区的地幔结构提供了重要的新信息。通过分析MT数据，科学家们发现该地区的上地幔不仅在温度上存在异质性，还在化学成分和挥发性物质的分布上表现出复杂的变化。这些变化可能与过去的俯冲作用、地幔柱活动以及地壳的薄化过程有关，而边缘驱动的对流可能进一步影响了地幔的物质迁移和温度分布。研究结果强调了多学科方法在地幔结构研究中的重要性，包括地球物理、地球化学和地球动力学的综合分析，这对于揭示地幔的动态过程和演化历史具有重要意义。