基于地震层析成像约束的超慢速扩张西南印度洋脊构造增生的最上层洋壳岩石圈地幔演化

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Evolution of Tectonically Accreted Topmost Oceanic Lithospheric Mantle Based on Seismic Tomography Constraints at the Ultraslow-Spreading Southwest Indian Ridge

　　

在全球洋中脊系统（mid-ocean ridge system）形成的洋壳岩石圈构成地球固体表面的60%以上。其最上层约6 km的部分，当基性熔体可用时通过岩浆增生形成，当熔体缺失时则通过构造增生形成。已知岩浆增生岩石圈随年龄演化，其速度增加已得到证实。然而，构造增生岩石圈是否以及如何演化仍知之甚少，尽管它约占全球海床增生的1/6。在此，研究人员提供了关于构造增生最上层岩石圈（由剥露的超镁铁质岩石组成）演化的首个约束，研究对象为超慢速扩张的西南印度洋脊（Southwest Indian Ridge, SWIR）。从0到6 Ma地震波速度（seismic velocities）的增加比岩浆增生岩石圈最上层6 km约高出62%，其中大部分增加发生在较深深度（1.5–4.5 km）。最上层约2 km随年龄增加的渐进蛇纹石化（serpentinization）降低了速度，部分抵消了由裂缝闭合和孔隙充填引起的速度增加。因此，构造增生岩石圈的整体蚀变程度可能大于仅由速度增加所指示的程度，意味着其演化速度快于岩浆增生对应物。研究人员的水含量估算进一步表明，构造增生最上层岩石圈上部6 km可储存的水量是同等岩浆增生岩石圈的三倍。这种增强的水储存能力可能在未来北极、大西洋和印度洋盆地开始闭合、构造形成岩石圈被回收到地球内部时，促进俯冲带中弧岩浆作用和板内地震活动的增加。

**论文解读：构造增生洋壳岩石圈演化的地震层析成像约束**

**研究背景与问题**
全球洋中脊系统长度近65,000 km，形成了超过三分之二的地壳。洋壳岩石圈最上层约6 km的增生模式分为两类：在熔体充足区域，岩浆增生形成6–7 km厚的“层状蛋糕”结构（即洋壳，由上至下为层2A、2B、3）；而在超慢速扩张脊（<20 mm/yr）及慢速扩张脊的段端，熔体极度匮乏，增生转为构造控制，通过长偏移距、低角度拆离断层（detachment faults）使地幔橄榄岩（peridotites）剥露至海底，形成构造增生岩石圈。这种构造增生至少占全球海床增生的1/6。尽管岩浆增生岩石圈随年龄的演化（如地震波速增加）已有50余年研究，但构造增生岩石圈是否以及如何演化几乎未知。此外，进入俯冲带的洋壳岩石圈水化程度对弧岩浆作用、板内地震活动等关键过程至关重要，而构造增生岩石圈由于其高蛇纹石化潜力，可能储存更多水，但其对俯冲过程的影响尚未被约束。因此，本研究旨在利用地震层析成像（seismic tomography）技术，首次定量分析构造增生最上层岩石圈随年龄的波速变化，并估算其含水量，以揭示其演化特性及潜在意义。

**研究内容与结论**
研究人员基于西南印度洋脊（SWIR）64°30′E处一条约150 km长的海底地震仪（OBS）剖面（SMOO33），通过第一到达时反演得到P波速度（V_p）模型。通过分析速度随距离和岩石圈年龄的变化，并将结果与岩浆增生岩石圈对比，发现：构造增生岩石圈最上层6 km在0–6 Ma内速度增加约13%，比岩浆增生的~8%高约62%，且增加主要发生在1.5–4.5 km深度（约16%），而浅层（0.5–1.5 km）和深层（4.5–5.5 km）仅约10%。这种浅层较小增幅归因于蛇纹石化（serpentinization）过程部分抵消了裂缝闭合和孔隙充填引起的速度增加。利用Hatakeyama and Katayama（2020）的经验关系，结合速度与孔隙度（基于IODP U1601C钻孔及全球孔隙度-深度模型），研究人员估算出构造增生岩石圈上部6 km的加权平均含水量为8.1 wt%，是岩浆增生岩石圈（~2.9 wt%）的近三倍。该研究首次表明，构造增生岩石圈演化更快，水化程度更高，其未来再循环至俯冲带时可能引发更强的弧岩浆作用和板内地震活动。

**主要关键技术方法**
1. **地震层析成像（seismic tomography）**：利用2014年SISMOSMOOTH航次采集的OBS剖面（SMOO33，位于SWIR 64°30′E），反演第一到达时得到二维P波速度模型，空间分辨率通过射线密度和检查板测试评估。
2. **年龄估计**：基于拆离断层几何特征（emergence和breakaway）及恒定扩张速率（14 mm/yr），结合断层翻转模式（flip-flop faulting）计算不连续年龄，考虑±1 km空间不确定性和±1 mm/yr速率不确定性导致的最大年龄误差±435 kyr。
3. **含水量估算**：采用Hatakeyama and Katayama（2020）的公式，利用V_p、蛇纹石化程度、孔隙度关系计算水含量；孔隙度依据IODP U1601C顶部7.0%初始值及Chen et al.（2020）全球孔隙度-深度模型递减，并传播不确定性。

**研究结果**
**3.1 年龄估计**：由于翻转拆离断层模式导致年龄随距离不连续，因此无法直接使用磁异常，而是基于断层几何和恒定扩张速率（14 mm/yr）计算年龄，从活动断层（0 Ma）到最老断层（~6 Ma，南侧）依次编号。年龄在南北两侧交替增加，符合翻转模式。
**3.2 构造增生岩石圈的速度变化**：从速度模型中提取1D速度-深度函数（0.5–5.5 km深度），每0.1 km采样，并分成5个深度组（0.5–1.5、1.5–2.5、2.5–3.5、3.5–4.5、4.5–5.5 km dbsf）。线性回归显示，所有深度组速度随年龄和距离增加，其中1.5–4.5 km深度组增幅最大（16.34% in 6 Ma），浅层和深层组约10%。多种采样配置（不同提取位置、间距、南北侧）验证了该模式不受局部高速下降特征影响。
**3.3 构造增生岩石圈的水化作用**：利用V_p和孔隙度（各层依次为7.0%、3.4%、1.7%、0.8%、0.4%）计算水含量。结果显示，顶部2.5 km水化程度高（5–30 wt%），浅层（0.5–1.5 km）水含量最高，平均约13.95%，与蛇纹石化橄榄岩全球均值13.5 wt%一致，但可达到两倍。随年龄增加，所有层水含量轻微下降（0–6 Ma），表明孔隙水损失未被额外蛇纹石化完全补偿。

**讨论与结论**
讨论部分（4.1–4.3）对比了岩浆增生与构造增生的演化差异：岩浆增生岩石圈速度增加主要集中于层2A（0–6 Ma增加~31%），而构造增生岩石圈整体增幅更高（~13%），且1.5–4.5 km深度增幅最大（~16%），这与岩浆增生中速度增幅随深度递减的模式不同。浅层（0.5–1.5 km）增幅较小（~10%），被归因于蛇纹石化（serpentinization）过程的抵消作用：蛇纹石化降低V_p，部分抵消了裂缝闭合和孔隙充填带来的速度增加。这种抵消在顶部1.5–2.5 km尤为显著。此外，构造增生岩石圈上部6 km的加权平均含水量（8.1 wt%）是岩浆增生的近三倍，表明其水化程度更高。讨论进一步指出，当未来大西洋、印度洋和北极盆地闭合时，这种高度水化的构造增生岩石圈在俯冲带中将释放更多流体，可能增强弧岩浆作用、改变火山弧几何形态，并引发更广泛的板内地震活动（包括中深源地震和慢滑移事件）。研究结论（5. Conclusions）总结如下：
（1）构造增生最上层岩石圈在0–6 Ma内速度增加，1.5–4.5 km深度增幅最大（~16%），浅层增幅较小（~10%），表明蛇纹石化部分抵消了裂缝闭合和孔隙充填，该效应在1.5–2.5 km深度尤为显著。
（2）构造增生岩石圈0–6 Ma的速度增加比岩浆增生岩石圈高62%，表明其整体蚀变程度更大，且考虑蛇纹石化降低速度后，实际蚀变程度可能更高；其上部6 km的加权平均含水量可达岩浆增生的三倍，显示演化更快且水化能力更强。
（3）未来构造增生岩石圈的俯冲将导致更强烈的弧岩浆作用、火山弧几何变化和更丰富的板内地震活动，建议通过古火山弧中蛇纹石化相关微量元素研究验证这一联系。