卡洛琳海山鏈成因及驗證地幔柱成因假說的大洋鉆探設想

張國良

1. 中國科學院海洋研究所深海研究中心，青島 266071

2. 中國科學院大科學中心，青島 266071

自20世紀60年代板塊構造理論建立以來，無論是離散性板塊還是匯聚型板塊邊界附近的巖漿活動通常都可以歸因于板塊構造。除了板塊邊界相關的火山作用以外，在板塊內(nèi)部也存在大量火山活動。這些板內(nèi)火山活動形成了廣泛分布的洋底高原和海山（全球高1 km以上的海山超過4萬座）。板內(nèi)火山活動作為地球上一種重要的巖漿活動，是地球內(nèi)、外圈層相互作用的重要方式[1-2]。板內(nèi)巖漿活動可以在較短的地質(zhì)時間內(nèi)（如5 Ma）形成大火成巖?。ㄈ鏞ntong Java等），不僅影響地球內(nèi)部多圈層間物質(zhì)循環(huán)，還能影響到地表生存環(huán)境[1,3-4]，因此，其成因得到國際上廣泛關注，是國際地學界的熱點科學問題。然而，這些板塊內(nèi)部的巖漿活動并不能直接由板塊構造理論來解釋，使得其成因是當今固體地球科學重大挑戰(zhàn)之一。

20世紀70年代，國際上提出“地幔柱”假說來解釋洋底高原和有時間序列的洋島/海山鏈成因[5]。地幔柱假說模型認為，地球深部高溫物質(zhì)（如，核幔邊界）以地幔柱形式上涌，沿途包裹淺部地幔物質(zhì)并在淺部發(fā)生大規(guī)模減壓熔融，在大洋環(huán)境中可以短期內(nèi)（如5～10 Ma）形成巨大洋底高原[6-8]。地幔柱假說認為，在洋底高原形成后，地幔柱仍持續(xù)穩(wěn)定的供應巖漿，并隨著板塊運動在大洋中形成有年齡序列的海山鏈[9-11]。一般認為，地幔柱巖漿活動來自較深和異常高溫的地幔源區(qū)[11]。一些洋底高原（如Ontong Java高原）和有年齡序列的海山鏈（如皇帝嶺-夏威夷海山鏈）通常被認為形成于地幔柱活動[12-14]。

近年來研究顯示，一些大洋板內(nèi)火山的成因可能并非來自一個固定的“熱點”，與一個深部來源的地幔柱也沒有直接聯(lián)系。例如，有研究認為，被動大陸邊緣附近的海山可能與大陸裂解導致的巖石圈下部物質(zhì)對流至淺部并發(fā)生部分熔融而導致[15-16]；擴張中心兩側的海山被認為是與洋中脊擴張過程中的軟流圈減壓熔融有關，成因上離不開洋中脊擴張過程[17]；巖石圈下部小尺度淺部軟流圈地幔對流和減壓熔融[18-19]；軟流圈相對巖石圈流動過程中的粘滯性運動[18]，以及軟流圈低度部分熔融產(chǎn)物沿著與板塊運動方向相同的巖石圈內(nèi)活動剪切斷層形成巖漿活動等[20]。盡管如此，大規(guī)模的巖漿活動形成的洋底高原（如Ontong Java洋底高原）和長期活動的熱點形成的大規(guī)模海山鏈（如黃帝嶺-夏威夷海山鏈），均不能由以上這些小尺度地質(zhì)過程所形成。存在一個相對穩(wěn)定且能產(chǎn)生大規(guī)模巖漿活動的熱點，對于形成洋底高原和長時間序列海山鏈依然非常必要。

根據(jù)經(jīng)典地幔柱假說，一個新生的地幔柱會在短時間尺度內(nèi)先形成一個洋底高原，隨后長周期內(nèi)形成一個連續(xù)的海山鏈?？梢?，證明存在一個有直接成因聯(lián)系且年齡連續(xù)變化的洋底高原和海山/洋島火山鏈系統(tǒng)是檢驗地幔柱是否存在的關鍵。但是，直到目前，尚未發(fā)現(xiàn)有直接成因聯(lián)系的洋底高原和海山鏈[10,14,21]。這導致地幔柱仍是一個假說，并未從根本上得到自然界地質(zhì)現(xiàn)象的驗證。地球上主要的洋底高原（如Ontong Java，Manihiki，Shatsky等）和有年齡序列的海山鏈（如Empire-Hawaii，Louisville，Easter等），往往單獨存在而缺少成因上的聯(lián)系。為了建立洋底高原和海山鏈與地幔柱之間的成因聯(lián)系，最有效的方法是：尋找并通過現(xiàn)代大洋中在板塊構造方向上連接的“洋底高原-海山鏈”系統(tǒng)來檢驗。黃帝嶺-夏威夷海山鏈是世界上最長、且仍持續(xù)活動的海山鏈，除未發(fā)現(xiàn)與地幔柱假說對應的“柱頭”（洋底高原）以外，這個海山鏈基本符合地幔柱所有基本要素。有學者假設洋底高原不易俯沖進入地幔，從而認為存在于黃帝嶺海山鏈北端的潛在洋底高原可能位于勘察加-鄂霍次克海附近，并提出通過鉆探檢驗洋底高原是否存在，從而檢驗地幔柱假說[22]。盡管這是個有趣的假說，目前在海底并沒有明確的地球物理證據(jù)顯示存在巨大的洋底高原；關于洋底高原以及何種規(guī)模的洋底高原能否俯沖進入俯沖帶，目前也沒有明確理論。尤其是，即使存在一個對應的洋底高原，也不確定其所處的地層深度（可能有巨厚沉積層）及是否能夠通過現(xiàn)代鉆探技術鉆獲基底。

實際上，北半球太平洋存在兩個新生代以來形成的熱點海山鏈。除了研究程度較高的黃帝嶺-夏威夷海山鏈以外[23]，還有一個卡洛琳（Caroline）海山鏈[24-26]。已有明確證據(jù)顯示，卡洛琳海山系統(tǒng)由卡洛琳高原（西端）和洋島/海山鏈（東部）組成，尤其是，該洋底高原正在俯沖進入雅浦海溝（6 mm/a），但還有一大部分沒有俯沖進入地幔。整個卡洛琳海山鏈系統(tǒng)的延伸方向大致符合西太平洋板塊運動方向[27]，這使得研究卡洛琳洋底高原與東部卡洛琳海山鏈系統(tǒng)的成因聯(lián)系，是檢驗地幔柱假說的一個十分有效的思路和方法。

1 卡洛琳海山鏈構造背景

卡洛琳海山鏈系統(tǒng)西起雅浦海溝，向東延伸至Ontong Java北側，總長度約2 500 km（圖1）。卡洛琳高原可分為東、西卡洛琳脊，位于卡洛琳海山系統(tǒng)的西端（圖1）、馬里亞納島弧以南[28-29]，其面積與太平洋Manihiki洋底高原相當?？辶昭蟮赘咴挥诳辶瞻鍓K北部，北側可能是太平洋板塊，但還沒有明確證據(jù)顯示其下伏板塊的性質(zhì)。在東、西卡洛琳脊被一個WN-ES方向伸展的、西寬東窄的索羅爾海槽所分開。有研究推斷，太平洋板塊和卡洛琳板塊的分界線沿著索羅爾海槽分布?？辶昭蠹箹|側則是密集分布的平頂海山，繼續(xù)向東則海山規(guī)模明顯減小。該海山鏈最東側由3個著名的洋島組成：楚克（Truuk）島、波納佩（Ponape）島和科斯雷（Kosrae）島。這3個洋島明顯是位于中生代形成的太平洋板塊之上[30]。早期研究顯示，卡洛琳海山鏈總體較年輕（11～2 Ma），這3個洋島火山巖年齡有從西向東逐漸變小的趨勢[25,31-32]。最年輕的科斯雷洋島位于太平洋大尺度剪切低速帶范圍以內(nèi)（圖1），下部低速帶深可達核幔邊界[33]。

圖1 卡洛琳高原-海山鏈系統(tǒng)地形圖（a）和鉆探站位分布（b）圖中白色虛線代表熱點隨板塊運動的軌跡[27]。(a)中紅色圓圈代表已有采樣站位。Fig.1 Bathymetry map of the Caroline plateau-seamount volcanic chain (a) and distribution of proposed drilling sites (b)Dashed white line in (a) indicates path of Caroline hotspot under the moving plate [27]. Red circle in (a) indicates drilled sites.

2 卡洛琳海山鏈研究現(xiàn)狀和有關科學問題

實際上，除對卡洛琳東段幾個主要洋島開展研究相對容易以外，對卡洛琳海山鏈西段和中段海山的研究難度都比較大。盡管20世紀80年代已經(jīng)初步測定了卡洛琳東段洋島玄武巖的噴發(fā)年齡，確定了從西向東逐漸變小的年齡趨勢[32]（楚克：12.7～4.7 Ma；波納佩：8.6～3.0 Ma；科斯雷：2.6～1.2 Ma），對這些洋島開展詳細成因研究卻開始于近十年。卡洛琳海山鏈最年輕的科斯雷洋島只有大約1 Ma，根據(jù)French和Romanowicz[33]研究，該島目前位于中太平洋起源于核幔邊界的剪切波速異常區(qū)，指示了科斯雷洋島可能起源于一個深達核幔邊界的深部源區(qū)。Jackson等[25]發(fā)現(xiàn)楚克、波納佩和科斯雷3個洋島的火山巖具有相對上地幔（約8RA）異常高的3He/4He比值（達12.8RA，RA代表大氣3He/4He比值），顯示這些火山巖很可能來源于下地幔。

近年來對這些洋島火山巖的巖石學和地球化學研究發(fā)現(xiàn)，這些洋島主要由硅不飽和且富TiO2的堿性火山巖組成，在火山巖中還發(fā)現(xiàn)了碳酸巖熔體交代的現(xiàn)象[30]。在全巖化學組成上，這些洋島火山巖還具有碳酸巖熔體特有的Nb-Ta-Zr-Hf負異常特征。另外，Zhang等[30]還發(fā)現(xiàn)波納佩洋島火山巖體現(xiàn)為兩階段性，第一階段是碳酸鹽化硅酸巖熔體與上覆太平洋深部巖石圈的反應/交代演化，這個過程中巖漿結晶出橄欖石、單斜輝石、磷灰石、鈣鈦礦等礦物，其中磷灰石和鈣鈦礦的結晶分異使得巖漿中稀土和高場強元素含量隨演化逐漸降低；在第二階段演化過程中，這些巖漿不再結晶分異磷灰石和鈣鈦礦等礦物，主要表現(xiàn)為正常的分離結晶演化。盡管早期地質(zhì)調(diào)查也將卡洛琳洋島劃分為造盾期和造盾期后等，但是，與夏威夷洋島不同的是，卡洛琳洋島只出現(xiàn)堿性火山巖，說明卡洛琳地幔柱活動性很弱，只形成低的地幔熔融程度。

國際上關于卡洛琳高原的研究程度低于東部的卡洛琳洋島。最初的研究認為西卡洛琳高原可能代表卡洛琳板塊向北俯沖形成的一個殘留島弧[34]，但是，這缺少了直接的巖石學證據(jù)。DSDP 57站在卡洛琳高原北部邊緣獲得了一小段玄武巖巖芯，這才認識到卡洛琳高原可能由板內(nèi)火山活動而形成，其K-Ar年齡顯示形成于約23.5 Ma[35]。實際上，由于DSDP 57站位獲得的玄武巖很少，且該站位沒有位于卡洛琳高原中部，并不確定這些站位火山巖的代表性?！翱茖W”號綜合考察船于2014—2015年對東卡洛琳高原西端和索羅爾海槽進行了3個站位的巖石拖網(wǎng)作業(yè)，獲得大量火山巖。研究發(fā)現(xiàn)，在東卡洛琳高原西端獲得的火山巖主要是堿性玄武巖（圖2），而在索羅爾海槽發(fā)現(xiàn)的火山巖均是拉斑玄武巖[30]，而且，這些拉斑玄武巖與DSDP 57站位玄武巖地球化學組成非常相似，在微量元素組成上都類似于Ontong Java洋島高原玄武巖，被確定為一個中等尺度的洋底高原[26]?？辶昭蟮赘咴^為虧損的微量元素和同位素組成顯示大量虧損上地幔物質(zhì)的參與，這與一個起始地幔柱與洋脊附近軟流圈相互作用結果是一致的。一個重要發(fā)現(xiàn)是，東卡洛琳西端獲得的堿性火山巖在Sr-Nd-Pb-Hf同位素組成上與卡洛琳洋島火山巖非常相似的，而且索羅爾海槽的拉斑玄武巖同位素組成正好介于太平洋型虧損地幔與東卡洛琳西端堿性火山巖之間。Zhang 等[26]提出，卡洛琳洋底高原拉斑玄武巖源區(qū)可能存在卡洛琳洋島火山巖所代表的富集地幔端元，二者可能形成于同一個熱點。

3 卡洛琳海山鏈檢驗地幔柱假說的潛力及大洋鉆探站位設置

卡洛琳高原整體上沿著索羅爾海槽裂開，從而使得洋底高原基底巖石出露海底，這使得已有研究較好地分析了卡洛琳洋底高原的礦物巖石、地球化學組成和年代學。通過沿著索羅爾海槽南北兩側開展的常規(guī)采樣，可以進一步對卡洛琳高原進行精細研究。盡管已有研究已經(jīng)初步確定了東部卡洛琳洋島/海山鏈火山巖與卡洛琳洋底高原火山巖具有相似的地幔源區(qū)，但是，在卡洛琳高原和東部洋島火山鏈之間還存在大量平頂海山，其成因并不太明確。檢驗整個海山鏈是否來自同一個地幔柱活動，則需要獲得這些中段平頂海山火山巖，并分析其源區(qū)是否與卡洛琳洋底高原和東部洋島/海山鏈一致，以及年代上是否具有連續(xù)性?？梢?，盡管已有初步研究揭示了卡洛琳洋底高原與東部3個卡洛琳洋島可能具有同一來源，目前還缺少卡洛琳洋底高原與楚克洋島之間轉(zhuǎn)換地帶平頂海山的巖石學和年代學資料。這些卡洛琳海山主要為平頂海山（圖1），曾經(jīng)位于海平面以上。這些平頂海山上部布滿礁灰?guī)r，而在深水部分大量覆蓋沉積層或錳結殼，以往海上調(diào)查結果顯示常規(guī)采樣方法（拖網(wǎng)、淺鉆、電視抓斗等）很難獲得平頂海山火山巖。

圖2 卡洛琳海山鏈火山巖年齡分布 [26]Fig.2 Distribution of ages for the Caroline volcanic chain [26]

如果要在真正意義上證明卡洛琳洋底高原-海山系統(tǒng)符合地幔柱假說，則需要巖石學、地球化學和年代學聯(lián)合研究，解決的關鍵問題是與卡洛琳洋底高原同源的玄武巖是否分布在平頂海山區(qū)，且形成時代連續(xù)。卡洛琳洋底高原主要由拉斑玄武巖（含少量堿性玄武巖）組成，而東部卡洛琳洋島主要為堿性玄武巖。如果這兩種火山巖都來自同一個地幔柱活動，則二者之間的銜接和轉(zhuǎn)換機制也是認識地幔柱本質(zhì)的一個重要方面。地幔柱假說認為高溫地幔柱頭在上涌過程中會包裹周圍的虧損地幔物質(zhì)，從而產(chǎn)生高程度部分熔融并主要形成拉斑玄武巖。隨著地幔柱頭活動形成洋底高原后，其活動性逐漸減弱且熔融程度降低，包裹周圍虧損地幔物質(zhì)減少，從而火山巖堿性增強?？梢姡四甏鷮W連續(xù)性以外，檢驗平頂海山火山巖是否在巖性上也在卡洛琳洋底高原和東部洋島/海山鏈之間構成連續(xù)性，也是檢驗地幔柱假說是否成立的重要條件。

為了檢驗卡洛琳海山系統(tǒng)形成于地幔柱活動，開展大洋鉆探取芯十分必要?？辶蘸Ｉ较到y(tǒng)進行大洋鉆探需要考慮的因素包括：首先，卡洛琳轉(zhuǎn)換帶平頂海山區(qū)東西橫跨約700 km，南北寬約500 km，鉆探選址分布在時空上要有代表性；其次，盡量避免平頂海山頂部，因為這里常有巨厚的礁灰?guī)r層，鉆探獲得基巖的難度很大；第三，平頂海山區(qū)可能橫跨了太平洋板塊和卡洛琳板塊之間的邊界[30]，邊界兩側差距較大的不同板塊厚度可能對地幔熔融過程產(chǎn)生影響。鑒于此，在空間分布上，設置鉆探站位在東、西方向盡量均勻分布；通過南、北兩個鉆探剖面分布約束巖石圈厚度不同引起的巖漿作用差異；另外，我們選擇平頂海山翼部的隆起區(qū)作為主要鉆探區(qū)，以避開礁灰?guī)r較厚的山頂，選擇平頂海山的底部或翼部。

基于解決科學問題所需，以及上述約束條件的考慮，我們提出如圖1b所示的站位分布（CSC-1至CSC-5站位）。CSC-1至CSC-5大致均勻分布在不同經(jīng)度，分別具有東、西方向的空間代表性。CSC-1和CSC-3為南部剖面，CSC-2、CSC-4和CSC-5為北部剖面。在大洋鉆探基礎上，對火山巖巖心進行詳細巖石學、地球化學、古地磁和年代學分析，并與卡洛琳洋底高原和東部海山鏈火山巖進行詳細對比研究?；诖?，判斷整個海山鏈是否具有同一個地幔柱源區(qū)，火山巖的年代分布是否符合板塊運動方向和速率，以及火山巖巖性變化是否符合逐漸降溫的地幔柱演化模式，從而揭示這些平頂海山火山巖是否也來自同一個地幔柱“熱點”，最終可以檢驗“地幔柱”假說是否成立。