西北太平洋Shatsky海隆地幔柱和板块构造成因模型的检验 

——记综合大洋钻探计划（IODP）第324航次

李三忠

（中国海洋大学海地科学与探测技术教育部重点实验室，青岛266100）

        现代地球动力学的重要基本问题之一就是研究地幔循环过程及其通过火山对地球表面的冲击效应。非洋中脊火山作用的巨大源区常表现为大量的幕式喷发，形成了海洋台地、火山型被动陆缘和大陆溢流玄武岩省。为了解释这种火山作用，广为接受的假说是：一个来源于深部地幔的、正启动的地幔柱头在岩石圈下扩展，并导致灾难性的熔融，引发大量火山喷溢。尽管这个假说被广泛接受，但是任何海洋台地都还不能成为地幔柱头起源的有说服力的实例。而且，近期钻探的Kerguelen和Ontong Java海台揭示了更多的复杂性。 研究这些海台的一个最大的困难就是：对它们的起源背景及其与洋中脊和板块构造的关系知之甚少，因为它们形成于无磁极倒转的中白垩世，所以也没有平行洋中脊的磁条带来记录扩张脊的位置。

        Shatsky海隆位于日本东侧 ~1500 km的西北太平洋海域, 其特异性就在于：它是唯一形成于有磁极倒转时期、有磁条带记录的大型海台，这有助于研究其构造背景。磁线理表明，Shatsky海隆是沿一个三节点的轨迹发育的，与洋中脊构造密切相关。已有资料证实，Shatsky海隆演化的几个重要特征，例如, 巨量的、快速的生长，从大到小岩浆通量的转换，洋中脊俘获，这都与地幔柱头模型一致。然而，火山作用与三节点的一致性, 洋中脊跃迁, 缺乏热点型地幔源同位素证据，所有这些又有利于其起源受板块控制的观点。这些特征的有机结合使得Shatsky海隆成为地球上检验海洋台地成因是起源于地幔柱还是受板块构造控制的最佳场所。综合大洋钻探计划（IODP）第324航次旨在钻取火山岩基底岩芯约800 m，以检测这个海隆的历史、源区和演化，从而解决象Shatsky海隆这样的海台是起源于深源地幔柱、板块边界相互作用，还是浅部岩石圈地幔。

        为此，于2009年9月4日至11月4日实施钻探，在Shatsky海隆的三个地块（Shirshov、TAMU和Ori三个地块）5个钻位共钻测5口井。324航次由美国德克萨斯农工大学William Sager教授和日本自然和科学国家博物馆地质和古生物部Takashi Sano教授担任首席科学家，共有32位科学家参加船上工作。作为唯一的中国科学家代表，中国海洋大学李三忠教授参与并主持该航次的构造地质学研究小组的研究工作。

        一、主要科学目标

        1．确定Shatsky海隆的基底年龄，约束其时间演化；

        2．钻取Shatsky海隆的新鲜的火山岩，测定其地球化学和同位素组成；

        3．确定产生Shatsky海隆熔岩的源区温度和部分熔融程度；

        4．确定Shatsky海隆火山喷发的物理过程；

        5．确定TAMU地块的地磁极性和Shatsky海隆的古纬度；

        6．确定Shatsky 海隆的古水深变化；

        7. 确定Shatsky海隆的岩浆演化和岩浆房过程。

        二、主要钻探成果

        历时近60天的钻井工作分别在Shatsky海隆的三个地块上进行，并且除U1348井没有获得新鲜火山岩样品之外，其它4口井都取得了新鲜的火山岩岩芯。多学科综合研究结果表明，Shatsky海隆的成因非常难于用地幔柱理论解释。特别是，新鲜的玄武岩样品获得的地球化学证据没有迎合地幔柱理论；古生物资料也证实，Shatsky海隆形成时间跨度较大，不是象其它大火成岩省那样在短暂的1~2myr左右形成；古水深变化也迎合了板块模型；沉积学研究得出相同结论；节理和脉体等构造地质观测同样不支持地幔柱成因。考察最后，首席科学家William Sager作了题为“Do Hotspots Blow in the Wind? Does the Earth Roll About? Perspectives from Paleomagnetism and Pacific Seamounts”的报告，利用本次钻井中获得的古地磁资料，来探讨整个太平洋构造研究中存在的问题，为此次初步考察结果的大地构造意义作了更深入的阐释，意味着今后更多的成果将冲击人们接受了25年之久的、由板块构造之父—摩根提出的热点假说；随后，太平洋地质研究资深研究员—迈阿密大学的James H. Natland教授作了“Problems with Plumes: Consider the Mesozoic Pacific”的报告，进一步阐明了热点假说、地幔柱理论在运用到太平洋海山群的研究中面临的种种问题。

        三、航次后研究内容

参与324航次使我亲眼看到洋底最典型的海隆火山岩层中发育的形形色色的节理，也获取了大量珍贵的脉体样品。所以，利用节理活动、脉体形成的研究成果，进一步讨论洋壳增厚机制，并通过脉体定年约束洋壳演化过程是我感兴趣的航次后工作。主要工作是：通过选择Shatsky海隆U1346A、U1347A、U1349A和U1350A四个站的不同脉体样品，开展Rb/Sr同位素定年，确定脉体事件幕次和时间；综合利用成像测井等测井资料，恢复节理的原始产状，进而复原古应力场及其变化，以此，作为应力场数值模拟的边界条件，综合解释收集到的Shatsky海隆的所有地震剖面，建立地质模型，开展洋中脊动力学有限元数值模拟。

        致谢：感谢综合大洋钻探中国办公室提供经费和上船机会，特别感谢首席科学家William Sager教授带领我们与“春望”台风周旋，并顺利争取失去的时间，历时一个多月完成了海上钻井任务。我也愧疚地向九泉之下的母亲表达我的哀思，在我完成主要任务正欲轻松之时，惊闻慈母突发脑梗塞，开颅入重症病房监护，而我依然漂浮在太平洋上不能回国，在剜心割骨之痛中度过了10天。回国后又20天，我遗憾地没能和母亲说上一句话，她在深度昏迷和痛苦中走了。在此，请允许我表达对母亲的怀念。

        参考文献

        William Sager, Takashi Sano, Joerg Geldmacher, and the Expedition 324 Project Team, 2009. Testing plume and plate models of ocean plateau formation at Shatsky Rise, northwest Pacific Ocean. IODP Sci. Prosp., 324.

http://iodp.tamu.edu/publications/SP/324SP/324SP.PDF.

        William Sager, Takashi Sano, Joerg Geldmacher, and the Expedition 324 Project Team, 2009. Testing plume and plate models of ocean plateau formation at Shatsky Rise, northwest Pacific Ocean. IODP Init. Repts., 324. (in press)