地幔柱衰退的火山-沉积响应：以东地中海边缘为例

本文针对地幔柱衰退过程中地表动力学记录不完整的问题，通过对东地中海黎凡特边缘卡梅尔地区阿尔布-森诺曼阶火山-沉积序列的精细研究，揭示了99-95.5 Ma期间四个火山脉冲(V1-V4)控制的周期性隆升-沉降旋回。研究通过地质填图、40Ar/39Ar测年和地球物理数据分析，发现地幔柱衰退期的脉冲式岩浆活动导致短期地形波动，控制了碳酸盐台地演化与白云岩形成机制，为认识地幔柱衰退过程中的表面响应提供了重要案例。

　　

在地球深部动力学过程中，地幔柱的兴起与衰退对地表形态和沉积环境产生深远影响。然而，关于地幔柱衰退阶段如何影响大陆边缘的火山-沉积记录，科学界仍存在认知空白。特别是在海洋环境中，这些记录比陆地更完整，但相关研究仍较为缺乏。东地中海黎凡特边缘作为长期受地幔柱活动影响的区域，为研究这一过程提供了理想场所。

针对这一科学问题，以色列地质调查局的A. Segev、E. Sass和U. Schattner在《Geoscience Frontiers》上发表了最新研究成果，通过对卡梅尔地区阿尔布-森诺曼阶火山-沉积序列的详细分析，揭示了地幔柱衰退过程中火山活动与地表响应的内在联系。

研究人员综合运用地质填图、⁴⁰Ar/³⁹Ar放射性测年、钻孔数据整合和地球物理勘探等方法，重点分析了重力与磁力数据。通过布格重力异常和RTP（ Reduced-To-Pole）磁异常分析，结合区域地层对比和火山岩定年，重建了卡梅尔地区的构造演化和古环境变化。

4.1. Lithostratigraphy and facies changes

研究识别出五个火山单元(V₁-V₅)和相关的沉积旋回。阿尔布阶Yagur组和Talme Yafe组(旋回1)显示西倾开阔海环境，被北-南向堤礁限制，导致盐度升高和早期成岩白云岩化。Maharal凝灰岩(V₁)和Isfiye组(旋回2)主要由白垩和石灰岩组成，火山中心附近厚度变化明显。Tavasim凝灰岩(V₂)、Arqan和Zikhron组(旋回3)记录了大范围火山活动和碳酸盐沉积。Shefeya火山岩(V₄)、Sakhnin和Bina组(旋回4)表现出火山活动与碳酸盐台地的交互作用。Bat Shelomo火山岩(V₅)、En Zetim、Ghareb和Taqhye组(旋回5)代表13Myr静寂期后的最终火山活动。

4.2. Borehole and geophysical data

钻孔和地球物理数据揭示了地下侵入体和厚火山体的存在。地球物理数据表明高剩余布格重力值区与Judea组顶部构造低点重叠，低密度异常与构造高点对应。区域尺度上，RTP磁异常图显示了一个明显的圆形边界，标志着白垩纪地幔柱变平范围的西界。莫霍面深度图也显示了东地中海和黎凡特边缘下方的孤立圆形隆起。

5.1. Fluctuating shelf on restricted tectonic block

卡梅尔地区在火山旋回期间发育为面向开阔海的碳酸盐台地的受限部分。每个旋回以海底加深和白垩沉积开始，随后水深减小形成石灰岩和白云岩，最终暴露、侵蚀和火山活动。旋回1以99.0±1.0Ma的V₁火山阶段结束，随后是浅海环境下软火山碎屑的剥蚀和环礁发育。旋回2结束后外台地沉降，允许开阔海环境和Isfiye组沉积。旋回3结束于V₄火山活动，伴随着变浅、陆上侵蚀和海底剥蚀。旋回4缺乏终端火山阶段，表明构造或岩浆体制的转变。

5.2. Dolomite formation

白云岩通过原生沉淀或成岩置换形成，需要渗透性、流体流动路径和足够的镁供应。镁来源包括海水、混合盆地/超盐卤水或冷却的盆地流体。当卡梅尔存在北-南堤礁带时，Yagur组(块状白云岩)覆盖礁东侧区域，同时代Talme Yafe组(块状石灰岩和白垩)延伸至礁西侧。礁后受限水流循环提高了盐度，促进白云岩形成。在旋回3中，Zikhron组白云岩与V₃玄武岩流空间相关，表明这些区域下方的岩浆房通过局部隆起影响变浅。

5.3. Role of volcanism

旋回1至4的沉积和火山特征为台地边缘的垂直运动提供了证据，影响了相对海平面波动。重建的深度曲线从约70m(截切火山锥指示)到未确定的高于海平面的高程。等静压计算表明，与地幔柱相关的岩浆作用是维持台地在这些高程并驱动波动的主要力量。主要是爆发性火山作用及其重复的高程波动表明，由于气体积累导致的暂时压力增加及其后续释放。气体压力可能是由岩浆与千米厚碳酸盐台地相互作用的有效脱碳作用造成的。

5.4. Carmel – a long-standing elevated tectonic block

卡梅尔地区是一个长期(～250Myr)的构造高点，由二叠纪-三叠纪至白垩纪的岩浆侵入体加固。在二叠纪-三叠纪地幔柱活动期间，当南新特提斯形成时，卡梅尔-赫莱兹高点东西两侧盆地发育了水平扩展和垂直沉降。在白垩纪黎凡特-努比亚地幔柱活动期间，仅卡梅尔地区记录了垂直波动，火山-地层特征与叙利亚海岸山脉相似。这表明在动态隆起背景下，卡梅尔地区作为一个被深断裂系统与其周围环境隔离的块体发挥作用。

该研究通过多学科方法揭示了地幔柱衰退过程中火山-沉积记录的响应机制，表明卡梅尔地区作为一个长期存在的构造高点，其演化受地幔柱相关的脉冲式岩浆活动控制。研究发现了99-95.5Ma期间的四个火山脉冲(V₁-V₄)，每个脉冲都伴随着表面隆升、随后沉降和沉积作用。这些旋回表明压力积累和释放，可能由残余地幔柱相关的岩浆活动而非区域构造驱动。火山作用、垂直运动和浅海区域创造了与海洋有不同联系的局部盆地，导致了以白垩、石灰岩、白云岩、泥灰岩和凝灰岩等岩性为特征的多样化沉积环境。

研究的重要意义在于揭示了地幔柱衰退过程中如何失去影响表面动力学的能力，为全球类似地区提供了重要类比案例。特别是阿尔布-土伦阶礁体，位于阿拉伯地台边缘长期存在的地壳高地构造块体(隆起)之上，成为了解地幔柱与地表响应关系的典型范例。这些发现不仅对理解东地中海地区的地质演化具有重要价值，也为全球其他地幔柱影响区域的研究提供了重要参考框架。