近日，中國科學院南海海洋研究所林間院士團隊，聯合自然資源部第二海洋研究所研究員張濤和上海交通大學助理研究員田晉雨，在全球大洋中脊洋殼增生過程影響因素的定量化研究方面取得新進展。相關成果發表于自然指數期刊《Journal of Geophysical Research：Solid Earth》。南海海洋所助理研究員查財財為論文第一作者，研究員張帆為通訊作者。
圖1. 不同巖石圈結構和浮力條件下，洋中脊下方的地幔上涌與熔融示意圖
地幔上涌與熔融是大洋中脊的基本過程，控制著洋殼的增生厚度。在洋中脊下方，地幔在板塊分離時被動上涌，由于減壓熔融，形成了新的大洋地殼。在這一過程中，大洋巖石圈隨著年齡增長向脊軸兩側增厚，會促進地幔上涌。同時，洋中脊下方地幔溫度抬升和熔融所造成的浮力也加速了地幔上涌（圖1）。二者都趨向于增厚洋殼。然而，對于浮力和巖石圈增厚對洋殼增厚的相對貢獻尚缺乏定量研究。
圖2. 模型預測與地震探測洋殼厚度隨擴張速率的變化
研究團隊采用地球動力學模擬方法，構建了三類模型來解析這一現象：考慮巖石圈增厚和浮力的參考模型 (BT)、只考慮巖石圈增厚的被動上涌模型( PT)以區分浮力效應，以及忽略巖石圈影響的空白模型 (PF)以剝離巖石圈增厚效應。他們將模型預測洋殼厚度與地震探測的洋殼厚度變化進行對比（圖2），定量評估了兩種因素的相對貢獻。
圖3. 浮力與巖石圈增厚效應對洋殼增生的絕對（a,b）和相對（c,d）貢獻隨擴張速率的變化
結果顯示，浮力和巖石圈增厚效應在擴張速度減慢時變得更為顯著。在大部分情況下，巖石圈增厚的相對貢獻超過了浮力，除了在地幔粘度較低、潛溫較高的超慢速擴張脊，浮力的影響更為突出（圖3）。在快速擴張脊，浮力的影響相對較弱，地幔潛溫的變化主導了洋殼厚度變化。然而，在超慢速擴張脊，浮力導致的三維地幔上涌與地幔潛溫變化相結合，使洋殼厚度產生較強的沿軸（空間）和離軸（時間）變化。本研究所揭示的浮力效應對洋殼增生的相對貢獻隨擴張速率的變化規律，為“擴張速率越慢，洋殼厚度變化越大”這一現象（圖2），提供了一種可能的動力學解釋。
本研究獲得國家自然科學基金項目、中國科學院項目等資助。
文章信息：Zha,C.,Zhang,F.*,Lin,J.,Zhang,T.,& Tian,J. (2024). On the relative importance of buoyancy and thickening of aging lithosphere in mantle upwelling and crustal production beneath global mid-ocean ridge system. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,129,e2023JB028432.
原文鏈接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JB028432
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