喀麦隆火山线的岩石圈结构与异步熔融源机制：对无年龄递进热线的动力学启示

《Geophysical Journal International》：Lithospheric architecture of the Cameroon Volcanic Line with implications for the asynchronous melt source

本研究针对喀麦隆火山线(CVL)这一缺乏年龄递进现象的大陆热线，通过重力谱分析和二维正演模拟，揭示了其岩石圈结构特征。研究人员发现大陆CVL下方存在岩石圈拆沉体，该拆沉体与地幔柱物质相互作用，导致火山呈Y型分布。结合边缘驱动对流(EDC)机制，研究阐明了大陆CVL无年龄递进而大洋CVL呈现向洋年龄减小的成因，为理解非典型火山链的形成机制提供了新的动力学模型。

　　

在非洲中部蜿蜒1600公里的喀麦隆火山线(Cameroon Volcanic Line， CVL)是地球科学领域一个令人费解的现象。与夏威夷等典型热点火山链不同，CVL的火山活动没有表现出明显的年龄递进规律，这种"异步性"使其被归类为"热线"(hotline)而非传统热点。更奇特的是，这条火山线竟然同时横跨大洋和大陆地壳，从几内亚湾的安诺本岛一直延伸到撒哈拉沙漠边缘，形成了令人瞩目的Y形分布格局。究竟是什么力量在地球深部驱动着这种独特的火山活动？数十年来，这一直是地质学家们争论的焦点。

传统的地幔柱理论难以解释CVL的无年龄递进特征，而边缘驱动对流(Edge-Driven Convection， EDC)和岩石圈拆沉(lithospheric delamination)等假说又缺乏足够的深部结构证据支持。为了解决这一争议，贝勒大学的Bernard Che Ngu和Emmanuel A. Njinju博士开展了一项创新的研究，他们通过高精度的重力数据分析和地震波速约束，首次揭示了CVL下方精细的岩石圈三维结构，提出了一个整合地幔柱、岩石圈拆沉和边缘驱动对流的综合模型。

研究人员主要运用了三种关键技术方法：基于世界重力模型WGM2012的布格重力异常数据，采用二维径向平均功率谱分析技术估算莫霍面和岩石圈-软流圈边界(LAB)的深度；利用二维正演重力模拟验证岩石圈结构，并通过van Herwaarden等人(2023)和Noe等人(2024)的剪切波速层析成像模型进行约束；结合地震各向异性和火山年龄数据，构建了CVL区域的地幔动力学模型。研究区域覆盖了CVL及其周边的刚果克拉通、撒哈元古宙克拉通和北赤道褶皱带等构造单元。

岩石圈结构特征

通过功率谱分析，研究团队获得了CVL区域精细的岩石圈结构图像。结果显示，大洋CVL下方地壳较薄(20-30公里)，而大陆CVL下方地壳较厚(30-43公里)，刚果克拉通下方地壳最厚(43-50公里)。更为重要的是，岩石圈厚度呈现出更加复杂的分布模式：大洋CVL下方岩石圈厚度为90-120公里，而大陆CVL下方反而更薄，仅为75-90公里。刚果克拉通则表现出典型的厚岩石圈特征(150-234公里)。这种反常的"大陆薄而大洋厚"的岩石圈结构暗示了大陆CVL下方可能发生了岩石圈拆沉作用。

拆沉体的发现

二维正演重力模型结合地震波速约束揭示了一个关键发现：大陆CVL下方的薄岩石圈之下存在一个高速、高密度的异常体，研究人员解释为岩石圈拆沉体。该拆沉体密度比周围地幔物质高约0.06g/cm³，对应于van Herwaarden等人(2023)剪切波速层析成像中的高速异常。这一发现为岩石圈拆沉假说提供了直接证据，表明大陆CVL下方的薄岩石圈是由于岩石圈根部发生拆沉、沉入软流圈所致。拆沉作用不仅解释了该区域的岩石圈减薄现象，还能够说明大陆CVL为何会出现约1公里的地形隆升。

地幔柱与拆沉体的相互作用

地震层析成像显示，从下地幔(660公里不连续面以下)上升的低波速异常可能代表一个地幔柱。这个上升的热地幔柱物质原本指向大陆CVL下方的薄岩石圈，但受到拆沉体的阻挡和偏转。拆沉体像一个巨大的障碍物，将地幔柱物质分割成向南、向北和向东的三个分支：向南偏转的物质集中在刚果克拉通北缘的薄岩石圈下方；向北偏转的形成比乌高原；向东偏转的则形成阿达马瓦高原。这种复杂的相互作用解释了CVL的Y形分布格局。

边缘驱动对流的作用

刚果克拉通(厚岩石圈)与CVL(薄岩石圈)之间的剧烈横向变化触发了边缘驱动对流(EDC)。EDC导致热浮力物质从刚果克拉通下方向CVL下方的薄岩石圈区域横向流动，进一步促进了熔融作用。特别是在大洋CVL区域，EDC产生的上升流对地幔柱物质的向洋流动起到了调制作用，解释了大洋岛屿从普林西比岛到安诺本岛向洋年龄减小的现象。

火山活动时序的解释

研究人员提出了一个全新的动力学模型来解释大陆CVL缺乏年龄递进的原因：最初，地幔柱冲击相对较厚的大陆岩石圈，形成了CVL最古老的火山(如班布托斯山和奥库火山群)。随后，地幔柱-岩石圈相互作用导致岩石圈热-力学弱化，触发大规模岩石圈拆沉。冷而密的拆沉体下沉过程中，不断偏转和分流上涌的地幔柱物质，形成复杂的非线形路径，破坏了传统的年龄递进模式。向南偏转的物质最初在马嫩古巴山下积聚，随着拆沉体进一步下沉，进一步高角度偏转至较年轻的喀麦隆火山和比奥科岛下方。

向洋流动的地幔物质

地震层析显示大陆CVL下方存在更浮力的地幔柱物质，这种浮力驱动地幔物质向大洋方向流动，以替代较重、浮力较小的物质。同时，大陆CVL下方薄岩石圈处持续涌入的地幔柱物质需要维持质量平衡，导致部分物质克服大洋CVL较厚岩石圈的阻力向洋流动。这一过程得到了地震各向异性研究的支持，Elsheikh等人(2014)观测到的快波方向平行于海岸线，解释为软流圈相对于非洲板块向西南方向(或向洋)的通道流。

研究结论强调，喀麦隆火山线的形成是地幔柱、岩石圈拆沉体和岩石圈结构三者复杂相互作用的结果。大陆CVL缺乏年龄递进的特征可以通过拆沉体对地幔柱物质的偏转和分流来解释，而大洋CVL的向洋年龄减小则与地幔柱物质的向洋流动和边缘驱动对流密切相关。这项研究不仅解决了CVL成因的长期争议，还为全球其他类似"热线"的形成机制提供了新的解释框架。该模型强调了岩石圈结构在控制地幔动力学过程中的关键作用，对理解大陆裂谷、火山作用和地球深部过程之间的关联具有深远意义。