近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境與島礁生態全國重點實驗室夏少紅研究員團隊聯合日本東北大學，在南海晚新生代巖漿與流體活動成因機制研究方面取得了重要進展，相關研究成果發表于Science Bulletin《科學通報》期刊上。研究員夏少紅為論文第一和通訊作者，副研究員茍濤為共同通訊作者，副研究員趙芳、副研究員范朝焰以及日本東北大學教授趙大鵬為共同作者。
南海作為西太平洋最大的邊緣海，其形成和演化一直是地質學界的熱點問題。南海被認為是在中生代古太平洋板塊俯沖的基礎上，經過新生代巖石圈張裂和海底擴張而形成的。然而，南海在裂后期，尤其是海底擴張停止后，經歷了廣泛而強烈的晚新生代巖漿活動，這一現象在全球張裂陸緣中極為罕見，其成因機制一直存在爭議。許多研究將南海晚新生代巖漿活動歸因于海南及鄰區下方的地幔柱作用。然而，由于缺乏典型地幔柱的大火成巖省和年齡遞變的海山鏈，且深部成像未呈現出經典地幔柱的幾何特征，海南地幔柱的存在及其對巖漿活動的影響一直存在爭議。
為解決這一問題，研究團隊運用遠震各向異性層析成像、深度學習生成的三維地殼模型以及多道地震反射數據，從深到淺系統研究了南海北部陸緣不同尺度的殼幔三維結構，精細刻畫了海南地幔柱復雜的上升路徑和上涌過程，并探討了深部地幔過程與上覆地殼之間的潛在耦合關系。
研究發現，海南地幔柱上涌物質在兩個深度范圍內發生了橫向擴展：一是在地幔過渡帶，由于相變和溫度降低，地幔柱上涌物質的熱化學狀態發生變化，受到一定阻礙而發生橫向擴展，但徑向各向異性主要為負值，表明物質整體仍為向上的流動方向；二是在巖石圈尺度，雷瓊地區各向異性表現為負值，表明地幔柱物質主要為垂向上涌，導致該地區火山噴發活動；而遠離雷瓊地區各向異性表現為正值，表明地幔柱物質主要沿北東-南西方向發生橫向擴展。
此外，海南地幔柱引發的巖漿活動與經典的夏威夷地幔柱存在顯著不同。其巖漿侵入體的特征不再是大火成巖省和年齡遞變的海山鏈，而是隨著上覆地殼伸展減薄程度和沉積地層厚度的不同呈現出獨特的特征。在地殼較厚的地區，地幔柱物質傾向于在下地殼中底侵，形成高速體；而在地殼顯著減薄且沉積層較厚的區域，巖漿更易穿透地殼，導致巖床、巖脈等侵入體在沉積地層中廣泛發育，并誘發海底流體噴發活動。
研究還發現，海南地幔柱的形態和巖漿活動模式與南海的區域構造環境密切相關。南海在張裂之前的晚中生代時期，經歷了古太平洋板塊的復雜俯沖過程，目前仍被俯沖帶所環繞。研究表明，南海深部地幔過渡帶和下地幔中存在顯著的俯沖物質痕跡，大量地殼物質和流體通過俯沖進入地球深部，榴輝巖等物質被卷入上升的地幔柱中。因此，海南地幔柱表現出熱化學地幔柱的幾何形態特征，榴輝巖等折返物質的加入削弱了上涌的正浮力，使得大部分巖漿物質在巖石圈層面發生橫向流動，經局部聚集侵入到地殼和沉積層中，形成了現今南海晚新生代巖漿活動的分布態勢。
該研究不僅揭示了海南地幔柱在塑造南海張裂陸緣殼幔和地表地質過程中的重要作用，還為理解巖漿和海底流體活動的分布提供了新的視角。這一發現對于南海地區海底資源的勘探和地質災害的評估具有重要意義，同時也為地幔柱活動和巖漿流體系統演化提供了獨特的見解，有助于更好地理解地球深部過程與淺表地質響應的耦合關系。
相關研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中國科學院南海海洋研究所自主部署項目、以及廣東省基礎研究與應用基礎研究項目等支持。
圖1南海北部（a）多道地震反射數據、（b）深度學習生成的三維地殼模型、以及(c)遠震各向異性層析成像地幔模型的垂直剖面。（b）、（c）中背景顏色分別代表P波速度（Vp）和擾動值（dVp）。（d）中黑色線段指示了剖面位置。（c）中水平和豎直短線分別表示P波徑向各向異性正值(水平Vp>垂直Vp)和負值(水平Vp<垂直Vp)，短線長度表示幅值。(d)中粉色區域指示了晚新生代玄武巖分布。
圖2 遠震各向異性層析成像模型的三維視圖。
圖3南海北部的多道地震反射剖面。（a-d）對應圖1d中的A-D剖面。該圖顯示了海底火山、巖床、熔巖流和熱液噴口的分布，注意到在火成巖侵入體上方出現了氣體聚集、煙囪狀區和沉積物變形。T60（紅色曲線）對應于下中新統地層的底部。
論文信息：Shaohong Xia*,Tao Gou*,Fang Zhao,Dapeng Zhao,Chaoyan Fan. Late Cenozoic magmatism of the South China Sea driven by the Hainan mantle plume. Science Bulletin,2024.?
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.12.010
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