近日，我校地球物理與空間信息學院胡祥云教授帶領的“深地資源與電磁探測”研究團隊，與國內外合作者，在國際著名期刊《國家科學論評》（National Science Review）發表了題為《Mantle plume trail beneath the ca.1.1 Ga North American Midcontinent rift revealed by magnetotelluric data》（大地電磁數據揭示的北美中陸大裂谷下的地幔柱軌跡）的學術論文，提出了北美大陸中央大裂谷與地幔柱相互作用的新模型。論文通訊作者為地球物理與空間信息學院胡祥云教授，論文第一作者為林武樂博士。
大陸，作為人類進化和文明發展的所在，它在時間和空間尺度上有著明顯的差異、充滿著日常和突發的過程，卻并未得到很好的理解。大陸表面已被廣泛的研究和成圖，但就形成和演化過程以及深度特性而言，大陸巖石圈的研究程度尚不充分。
形成于約11億年前的北美中陸大裂谷系統（Midcontinent Rift, MCR）是存在于太古宙勞倫大陸蘇必利爾省內發育失敗的大陸裂谷，是北美大陸中部重要的前寒武地質特征之一。裂谷時期出露于蘇必利爾湖附近的大量的火成巖，被認為是先存結構的再活化、基維諾地幔柱的上涌和減壓熔融、或異常熱/富集地幔的上涌共同作用的結果。東、西兩支相交的裂谷分支橫跨太古宙和古元古代單元；西側分支向西南延伸約2000公里，東側分支被格林維爾造山帶截斷。MCR與地幔柱上方大陸裂谷的經典三分支相交模型（three-arm model）形成鮮明對比，即向北的第三裂谷分支或拗拉槽的缺失，以及東西兩相交的裂谷分支偏離推斷的地幔柱中心約300公里等問題，尚未得到很好的理解。
圖1 (a)北美大陸中部構造簡圖，紅色方框表示研究區域，更多細節見(b)。淺藍色和深灰色粗虛線分別代表根據金伯利巖露頭和200千米深處的地震證據推斷出的Great Meteor熱點軌跡。紅星代表推測的基維諾地幔柱中心。(b)研究區域的區域地質以及與MCR有關的侵入體，白線表示地層邊界，紅色和藍色三角形分別代表本研究中使用的EarthScope和Lithoprobe MT臺站。
為探究這種獨特的地幔柱-裂谷關系，并更好地約束受基維諾地幔柱沖擊的區域，研究團隊利用美國EarthScope和加拿大Lithoprobe計劃中的大地電磁（magnetotelluric, MT）數據，構建了MCR向北延伸至太古宙蘇必利爾省下方的地殼-上地幔三維電阻率模型。模型顯示，在西蘇必利爾克拉通巖石圈地幔底部存在一突出的高導電異常，異常呈西北-東南走向，與MCR西側分支交叉，向兩側延伸300多公里。
圖2 MT 三維反演得到的優選電阻率模型。(a-c)33-38千米、89-102千米和179-206千米深度的水平切面。黑圈表示MT臺站，粗黑實線表示MCR，白線表示子省邊界。(c)中的黑色虛線表示東蘇必利爾低速區的西部邊界。(d)和(e)為垂直剖面A-A'和B-B'，其位置如(b)所示。白色虛線表示地震結果推斷的莫霍面和LAB界面。(f)20千米深度以下低電阻率異常(≤10Ω.m)透視圖。剖面A-A'和C-C'的位置見(b)。C表示高導體，R表示高阻體。
已有研究中推斷的基維諾地幔柱中心，與之同時期的Duluth和其它承載大量硫化物礦床的層狀基性侵入復合體，North Shore火山巖流以及基性巖墻群覆蓋了該高導異常的不同部分。因此，研究團隊認為該異常反映了古地磁研究推斷的勞倫大陸在基維諾地幔柱上方快速向南運動有關的地幔柱軌跡。并認為僅存于此段軌跡的高導電性是由富含硫化物的基底巖石圈地幔的交代作用和/或部分熔融作用造成的，而熔融作用正是蘇必利爾省這一地區巖漿硫化物礦床的來源。
圖3蘇必利爾湖周圍地下巖石圈底部導電異常形成的可能模式。綠色為火山巖。(a)蘇必利爾省的一段巖石圈富含硫化物，基威諾地幔柱對蘇必利爾湖周圍巖石圈的撞擊為礦物顆粒間硫化物的相互連接提供了潛在的機制，從而產生了觀測到的高導電性特征。在地幔柱充擊過程中，先前存在的裂谷區域被重新激活，從而在蘇必利爾湖周圍形成了洪積玄武巖巖漿活動、地殼底侵、基性-超基性侵入體以及富硫化物礦床。蘇必利爾省內的零散MT異常很可能是由于太古宙熱液流和巖漿噴發造成的。(b)在MCR形成期間，勞倫大陸以大于20厘米/年的速度向南（按現在的方向）快速運動，切斷了與地幔柱的聯系，留下了區域性的 NW-SE 走向的高導跡線。
研究結果對現有研究推斷的地幔柱中心的位置提供了支持，認為早期形成的裂谷幾何形狀受先前存在的太古宙構造控制，這也解釋了為什么MCR缺乏經典的三分支、僅與地幔柱有關的裂谷構造。該研究為理解北美中陸大裂谷的形成提供了新視角，也對探究硫化物礦床和未來資源勘查具有啟示意義。
該研究受到國家自然科學基金委（42220104002、42327803）、國家重點研發計劃（2022YFF0802800）以及國家留學基金委（201906410007）等的聯合資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae239
鄂公網安備 42011102004169號
