[論文レビュー] Melt-Enhanced Rejuvenation of Lithospheric Mantle: Insights from the Colorado Plateau

Mousumi Roy, Rodrigo Osuna-Orozco+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2012

High-pressure geophysics and materials参考文献 78被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、コロラド高原を事例として、リソスフィア・アスノスフィア境界における溶融物浸透が、熱的および化学的に安定したクリトニックリソスフィアを再生し、不安定化させることを提案する。このプロセスは、プレート運動に起因する動的圧力勾配と溶融物の分離によって駆動され、高原の内部と周辺部における非対称的なマグマ活動および地球物理的対比を説明する。溶融物強化による弱体化が、リソスフィアの薄まりと対流的除去を可能にする。

ABSTRACT

The stability of the lithospheric mantle beneath the ancient cratonic cores of continents is primarily a function of chemical modification during the process of melt extraction. Processes by which stable continental lithosphere may be destabilized are not well-understood, although destabilization by thickening and removal of negatively-buoyant lithospheric mantle in "delamination" events has been proposed in a number of tectonic settings. In this paper we explore an alternative process for destabilizing continents, namely, thermal and chemical modification during infiltration of metasomatic fluids and melts into the lithospheric column. We consider observations pertinent to the structure and evolution of the Colorado Plateau within the western United States to argue that the physical and chemical state of the margins of the plateau have been variably modified and destabilized by interaction with melts. In the melt-infiltration process explored here, the primary mechanism for weakening and rejuvenating the plate is through thermal effects and the feedback between deformation and melt-infiltration. We speculate on the nature and geometry of a melt-modulated interaction zone between lithosphere and asthenosphere and the seismically-observable consequences of variable melt-infiltration into the margins of regions of thick, stable lithosphere such as the Colorado Plateau and the Archean Wyoming Province within North America.

研究の動機と目的

• デラミネーション以外の安定した大陸リソスフィアの不安定化メカニズムを調査すること。
• リソスフィア・アスノスフィア境界における溶融物浸透が、クリトニック地域の熱的および化学的変化を引き起こす仕組みを検討すること。
• コロラド高原の内部と周辺部における地震波速度および熱フラックスの勾配といった観測された地球物理的非対称性を説明すること。
• 動的圧力勾配と溶融物分離が、マグマ活動の空間的パターンおよびリソスフィアの弱体化を制御する役割を評価すること。
• 溶融物浸透モデルを、ウィヨミングプロヴィンスや中国北西部クリトロンを含む他のクリトニックプロヴィンスに一般化すること。

提案手法

• コロラド高原全域におけるマントル地震波速度およびリソスフィア厚さの横方向変異をマッピングするために、地震トモグラフィーおよびレシーバ関数データを分析する。
• アンソロピット地球化学および熱力学的圧力推定法を用いて、高原の内部および周辺部におけるリソスフィアマントルの熱的および化学的状態を推定する。
• 北米プレートが下部アスノスフィアに対して相対的に移動する際の、リソスフィア・アスノスフィア境界における動的圧力勾配をモデル化する。
• 溶融物分離と粘性低下のフィードバックを統合し、溶融物浸透が変形を促進し、リソスフィアを弱体化させるメカニズムをシミュレーションする。
• 観測されたマグマ侵食パターンを、上流／下流の流れのダイナミクスに基づく予測された溶融物浸透速度と比較する。
• モデルを他のクリトロン（例：中国北西部、タンザニア）に適用し、大陸内部進化への広範な適用可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リソスフィア・アスノスフィア境界における溶融物浸透は、安定したクリトニックリソスフィアの不安定化にどのように寄与するか？
• RQ2 なぜコロラド高原の周辺部では内部に比べて地震波速度が遅く、熱フラックスが高いのか？
• RQ3 新生代のマグマ活動がコロラド高原周辺で非対称的であるのは、何がその原因か？
• RQ4 動的圧力勾配と溶融物分離は、リソスフィアの弱体化および薄まりを促進するためにどのように相互作用するか？
• RQ5 溶融物浸透は、ウィヨミングプロヴィンスや中国北西部クリトロンのような他のクリトニック地域の地球化学的および地球物理的進化をどの程度説明できるか？

主な発見

• コロラド高原の内部では、高速な地震波速度と低熱フラックスが観測され、厚さがあり、冷たく、化学的に安定したリソスフィアで、鉄マグネシウム比が低いことが示唆される。
• 高原の周辺部では、遅い地震波速度、高い熱フラックス、および上昇したVp/Vs比が観測され、溶融物浸透による熱的および化学的変化が示唆される。
• マグマ侵食は高原の西南部（上流側）で最も顕著であり、高い動的圧力と溶融物浸透速度と整合的である。
• 北東部の周辺部（下流側）では、マグマ活動が最小限に抑えられており、溶融物浸透の可能性が低く、動的圧力も低いことと一致する。
• 溶融物分離と粘性低下は、変形を促進し、リソスフィアの薄まりおよび対流的除去を促進するフィードバックループを形成する。
• このモデルは、ウィヨミングプロヴィンスや他のクリトロンの再生を、同様の溶融物浸透プロセスの結果として説明でき、クリトニック不安定化の一般的なメカニズムを示唆する。