在库克群岛发现年轻的海底火山活动：对拉罗汤加热点位置的新限制

《Geobios》：Discovery of young submarine volcanism in the Cook Islands: New constraints on the location of the Rarotonga hotspot

火山链多热点起源研究：新发现Tama Seamount支持Rarotonga热点模型，通过Ar-Ar年代测定和岩浆成分分析确认其与Rarotonga岛火山活动关联，揭示热点年龄递增规律。

　　

杜一凡|马修·杰克逊|布莱恩·吉查|安德鲁·凯兰德-克拉克|本杰明·L·拜尔利|迈克尔·比齐米斯|萨蒙杜尔·阿里·哈尔多尔松|加雷斯·苏沃德|奥利维亚·E·安德森|马修·里乌|凯文·康拉德|苏娜·哈达多蒂尔|白瑞霞|安德烈亚·朱利安尼|道格拉斯·A·威恩斯|S.肖恩·魏|杰拉尔德·麦考马克|约翰·迈克尔·帕里亚诺斯

加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校地球科学系，美国加利福尼亚州圣塔芭芭拉，邮编93106

摘要

人们提出库克-澳大利亚火山带起源于多个热点。其中一个候选热点是拉罗汤加热点，它仅与两个岛屿上的火山活动有关：拉罗汤加岛（1.157 ± 0.003至1.697 ± 0.055百万年前）和艾图塔基岛（最年轻的阶段：1.382 ± 0.058至1.941 ± 0.035百万年前），这两个岛屿相距约250公里，呈南北方向排列。由于它们的喷发年龄有重叠且缺乏明显的年龄序列，因此无法对热点起源进行可靠评估。本研究识别并调查了一个新的火山特征——塔玛海山，它位于拉罗汤加岛以东-东南方向约80公里处，沿着太平洋板块流动方向。通过对两块熔岩（⁴⁰Ar/³⁹Ar测年法得出的年龄为0.664 ± 0.027百万年和0.816 ± 0.020百万年）以及一块霞长岩捕虏体（包括锆石U–Pb测年得出的加权平均年龄为0.74 ± 0.02百万年）的研究，确定了塔玛海山的年龄。这些年龄与基于太平洋板块运动的拉罗汤加热点年龄序列相符，支持塔玛海山起源于拉罗汤加热点的观点。此外，我们还报告了从拉罗汤加岛海底采集的第一批熔岩样本，其地球化学特征和年龄（1.493 ± 0.007百万年）与之前采集的拉罗汤加样本一致。这些新发现表明塔玛海山是已知最年轻的拉罗汤加热点表现。

引言

当海洋板块移动经过上升的地幔柱时，就会形成火山热点轨迹（例如夏威夷的热点轨迹，见图1）。地幔柱模型预测，热点火山的年龄会随着板块运动的方向逐渐增加（目前在太平洋板块上为西-西北方向[WNW]）。活跃的热点火山通常位于地幔柱之上。热点火山与其距离最近或当前最活跃的火山之间的年龄关系被称为热点的年龄序列（见图2）。

位于西南太平洋的库克-澳大利亚火山带是一条线性火山链，其年龄范围从零到20百万年不等（Chauvel等人，1997年；Lassiter等人，2003年；见图1和图2）。然而，这条火山带上并未观察到明显的年龄序列。相反，沿火山带分布着多个活跃或年轻的（<2百万年）火山，它们之间的间距约为1000公里（见图1和图3），包括麦克唐纳海山（Diraison，1991年；Johnson和Malahoff，1971年）、阿拉戈海山（Bonneville等人，2006年）、鲁鲁图岛（Hanyu等人，2013年；Rose和Koppers，2019年）以及拉罗汤加岛和艾图塔基岛（Turner和Jarrard，1982年；Rose和Koppers，2019年）。

基于Diraison（1991年）和Chauvel等人（1997年）的早期研究，Chauvel等人提出了“三个热点”模型来解释库克-澳大利亚火山带上缺乏单一年龄序列的现象，他们识别出三个不同的火山年龄序列（麦克唐纳、鲁鲁图-阿拉戈和拉罗汤加），这些序列与区域板块运动速度模型相符（Rose和Koppers，2019年；见图1和图3）。关键的是，这三个热点都与高于周围地幔温度的地幔柱相关（Bao等人，2022年），这支持了所有三个热点都由热浮力柱供给的模型。

进一步支持“三个热点”模型的是，白垩纪西太平洋海山省（WPSP）中的海山（见图1和图2）——这些海山在地理位置上与使用绝对板块运动模型重建的热点轨迹大致吻合——其年龄和地球化学特征与库克-澳大利亚群岛中提出的三个热点相符（Konter等人，2008年；Konrad等人，2018年；Finlayson等人，2018年；Jackson等人，2024年；Konter等人，2025年）。WPSP中的白垩纪海山与0–20百万年火山带之间的联系表明，库克-澳大利亚群岛中的三个热点都存在时间较长（见图1和图2）。

关于库克-澳大利亚火山带的“三个热点”模型，仍有一些方面尚未得到充分理解（见图2和图3）。关键的是，所有三个热点轨迹上仍有大片地理区域未被采样和研究。最近，Buff等人（2021年）报告称，罗斯环礁（24.8 ± 1.0百万年）和可能的莫基海山（44.5 ± 10.1百万年）填补了年轻部分（库克-澳大利亚火山带）与较老的鲁鲁图-阿拉戈和麦克唐纳热点之间的地理空白（见图2）。尽管莫基海山的年龄不精确，因此不能将其与麦克唐纳热点明确联系起来，但越来越多的证据表明，至少有两个长期存在的热点——鲁鲁图-阿拉戈和麦克唐纳——自约70百万年前和约100百万年前以来一直处于活跃状态（Koppers等人，2007年；Konter等人，2008年；Finlayson等人，2018年；Konrad等人，2018年；Konter等人，2025年）。

库克-澳大利亚火山带中的第三个热点轨迹——拉罗汤加热点（Chauvel等人，1997年）仅由两个相距约250公里的火山岛组成，根据⁴⁰Ar/³⁹Ar测年法，这两个岛屿都经历了近期的火山活动（见图2和图3）。因此，现有数据无法证明这个热点的年龄序列，从而无法对其起源进行可靠评估。虽然WPSP北拉利克群中的76–94百万年的海山（Koppers等人，2007年；Konter等人，2008年）在年龄、位置和地球化学特征上与拉罗汤加热点有某种联系（Jackson等人，2024年），但必须承认在这条热点轨迹上存在约75百万年的空白期，该区域尚未被采样和研究。另一个关键的数据空白是，目前尚未发现与拉罗汤加岛相关的活跃火山或任何比拉罗汤加岛更年轻的火山活动。根据Wessel和Kroenke（2008年）的绝对板块运动模型，预测拉罗汤加热点应位于拉罗汤加岛以东-东南方向140–200公里处，这一距离考虑了自拉罗汤加岛熔岩喷发以来太平洋板块移动的1.16–1.70百万年（图1中的星号“？”标记了拉罗汤加热点的估计位置）。

为了寻找拉罗汤加热点轨迹上比拉罗汤加岛更年轻的火山活动的证据，我们在2023年12月乘坐R/V Thomas G. Thompson号船（航行编号TN426）在库克群岛地区进行了 dredge作业（见图4）。我们选择了一个名为塔玛的小海山进行采样，因为它是在拉罗汤加岛以东-东南方向约80公里处的太平洋板块流动线上最大的火山结构（见图4中第12次 dredge 的位置）。在随后的 dredge 中，我们获得了拉罗汤加岛海底的首批样本。

我们展示了通过 dredge 从这两个火山中获得的样品的新Sr–Nd–Pb同位素数据、主要元素和微量元素浓度以及地质年代数据（⁴⁰Ar/³⁹Ar测年法用于基岩和黑云母，U–Pb测年法用于锆石），以验证与假定的拉罗汤加热点相关的年轻火山活动的存在。在塔玛海山的深海 dredge 中，我们采集到了熔岩和多种代表不同岩石圈部分的捕虏体，包括橄榄岩（地幔）、辉长岩（洋中脊玄武岩[MORB]地壳）、洋岛玄武岩（OIB）熔岩以及与OIB相关的捕虏体（采样了塔玛海山的表面和内部）。其中，含有锆石和黑云母的霞长岩捕虏体为塔玛海山的年龄提供了可靠的限制。本研究还首次报告了来自该地区的洋壳捕虏体，这对于理解西南太平洋的地质动力学非常重要，因为这里的洋壳形成于白垩纪正常超时期内。来自塔玛熔岩和捕虏体的新地球化学数据表明，塔玛海山的同位素组成与拉罗汤加热点的来源一致。地质年代数据显示，塔玛海山明显比拉罗汤加岛年轻，并且其年龄序列与太平洋板块运动方向一致，将拉罗汤加火山的年龄序列延伸到了拉罗汤加岛以东-东南方向约80公里处。这些地球化学和时间关系为拉罗汤加热点的起源提供了强有力的证据，并支持库克-澳大利亚群岛存在“三个热点”的假设。

部分内容摘录

地质背景和新样本

先前的研究已经确定了多个热点——麦克唐纳、鲁鲁图-阿拉戈和拉罗汤加——它们在西南太平洋的库克-澳大利亚火山带区域产生了重叠的火山轨迹，并产生了三种不同的年龄与距离趋势（见图2和图3）。值得注意的是，一些岛屿展示了归因于不同热点的多次火山活动。例如，艾图塔基岛上较老的火山阶段（9.39 ± 0.07百万年前）被认为是由鲁鲁图-阿拉戈热点引起的

方法

本研究使用的方法详见补充材料，并在此简要总结。本研究对 dredge 获得的样本进行了地质年代学分析，包括来自塔玛海山的兩块熔岩（TN426-D12-4-lava 和 TN426-D12-44-X16-lava）和来自拉罗汤加岛的一块熔岩（TN426-D14-13-lava），以及一块嵌在 TN426-D12-4-lava 中的霞长岩捕虏体（TN426-D12-4-xenolith）。熔岩基岩的年龄已确定

塔玛和拉罗汤加熔岩

本文报告的四种 dredge 获得的熔岩——两种来自塔玛海山（TN426-D12-4-lava 和 TN426-D12-4-X16-lava），两种来自拉罗汤加岛（TN426-D14-11-lava 和 TN426-D14-13-lava）——均为硅不饱和熔岩：塔玛熔岩属于辉长岩类，而拉罗汤加熔岩属于粗面岩类（见图5中的TAS图和补充表S2中的完整数据集）。塔玛熔岩的MgO含量在7.6%到7.7%之间，而两种拉罗汤加熔岩的MgO含量在7.8%到8.0%之间（见补充图S2a）。

讨论

我们分析了来自塔玛海山和拉罗汤加岛的新样本，以评估库克-澳大利亚地区的“三个热点”假说。虽然麦克唐纳和鲁鲁图-阿拉戈热点的趋势较为明显（见图2），表明这两个热点轨迹存在活跃的热点，但拉罗汤加作为热点的候选者证据较弱。在之前的研究中（Chauvel等人，1997年；Jackson等人，2020年），假定的拉罗汤加热点仅被认为包括拉罗汤加岛（可能还包括其他部分）

结论

从塔玛海山采集的海底熔岩位于拉罗汤加岛以东-东南方向约80公里处，其同位素组成与拉罗汤加岛一致，支持两者之间存在遗传关系。新的地质年代数据表明，塔玛海山明显比拉罗汤加岛年轻，其年龄为0.664 ± 0.027百万年，是库克群岛中已知最年轻的火山。塔玛海山的新年龄结合拉罗汤加岛的现有年龄数据形成了一个完整的年龄序列

数据可用性

本研究生成或分析的所有数据均可在补充表格中找到，链接如下：https://doi.org/10.17632/xynx5w858r.1

未引用参考文献

Bouvier等人，2008年；Grove和Harrison，1996年；Lee等人，2006年；Larson等人，2002年；Min等人，2000年；Neumann等人，2000年；Thompson等人，1998年；Tera和Wasserburg，1972年；Weatherall等人，2024年。

CRediT作者贡献声明

杜一凡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，方法论，调查，数据管理，概念化。马修·杰克逊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，监督，资源获取，方法论，调查，资金筹集，数据管理，概念化。布莱恩·吉查：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论。安德鲁·凯兰德-克拉克：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢NSF（资助编号OCE-1929095、OCE-2437227）和OCE-1928946、OCE-1928914对M.G.J.、S.S.W.和D.A.W.的支持，这些资助用于资助了这次海上考察（TN426）及后续的样本分析。我们感谢库克群岛研究秘书处和委员会（许可编号03-23a）以及库克群岛国家环境服务局（批准编号2023/057RAR）的支持和许可。我们也感谢TN426考察队的全体人员以及科学团队——Madeleine Kerr的帮助。