[논문 리뷰] Melt-Enhanced Rejuvenation of Lithospheric Mantle: Insights from the Colorado Plateau

Mousumi Roy, Rodrigo Osuna-Orozco외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 12.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 78인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 콜로라도 플레이트오의 사례 연구를 통해, 지구물리학적 경계에서의 융해수용이 열적·화학적으로 안정된 크라톤 지각을 재활성화하고 불안정화시킨다고 제안한다. 이 과정는 판 운동에 의한 동적 압력 구배와 융해 분리에 의해 주도되며, 플레이트오 내부와 가장자리 사이의 비대칭 화산 활동과 지물리적 대비를 설명한다. 융해 강화에 의한 약화는 지각의 얕아짐과 대류적 제거를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 탈리네이션 외의 다른 메커니즘을 통해 안정된 대륙 지각이 불안정해지는 방식을 탐구하기 위해.
• 지각-아스테노스피어 경계에서의 융해수용이 크라톤 지역의 열적·화학적 특성에 어떻게 영향을 미치는지 검토하기 위해.
• 콜로라도 플레이트오의 내부와 가장자리 사이에서 관측된 지물리적 비대칭성(예: 지진파 속도 및 열유속 기울기)을 설명하기 위해.
• 동적 압력 구배와 융해 분리가 화산 활동의 공간적 패턴과 지각 약화를 어떻게 조절하는지 평가하기 위해.
• 이 융해수용 모델을 워싱턴 주 지구대 및 북중국 크라톤을 포함한 다른 크라톤 지구대에 일반화하기 위해.

제안 방법

• 콜로라도 플레이트오 전역에서 맨틀 지진파 속도 및 지각 두께의 횡방향 변동을 지도하기 위해 지진 탐사 및 수신기 함수 데이터를 분석한다.
• 현무암 편석의 지질화학 및 열압력 측정을 통해 플레이트오 내부 및 가장자리의 지각 맨틀의 열적·화학적 상태를 추론한다.
• 북미 판의 운동에 따라 기저 아스테노스피어에 대한 상대 운동에 의해 지각-아스테노스피어 경계에서 발생하는 동적 압력 구배를 모델링한다.
• 융해 분리 및 점성 감소 피드백을 통합하여 융해 침투가 변형과 지각 약화를 어떻게 증폭시키는지 시뮬레이션한다.
• 관측된 화산 활성 확장 패턴을 상류/하류 유동 역학에 기반한 예측된 융해수용 속도와 비교한다.
• 모델을 다른 크라톤(예: 북중국, 탄자니아)에 적용하여 대륙 내부 진화에 대한 일반적 적용 가능성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지각-아스테노스피어 경계에서의 융해수용이 안정된 크라톤 지각의 불안정화에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 왜 콜로라도 플레이트오의 가장자리에서는 내부보다 지진파 속도가 느리고 열유속이 높은가?
• RQ3 신대기 화산 활동의 비대칭 분포는 무엇에 의해 제어되는가?
• RQ4 동적 압력 구배와 융해 분리는 어떻게 상호작용하여 지각 약화와 얕아짐을 촉진하는가?
• RQ5 융해수용은 워싱턴 주 지구대 및 북중국 크라톤과 같은 다른 크라톤 지역의 지질화학적·지물리적 진화를 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 콜로라도 플레이트오의 내부는 빠른 지진파 속도와 낮은 열유속을 보이며, 두꺼운, 차가운, 화학적으로 안정된 지각을 나타내며 철-마그네슘 비율이 낮다.
• 플레이트오의 가장자리는 느린 지진파 속도, 높은 열유속, 높은 Vp/Vs 비율을 보이며, 융해수용에 의한 열적·화학적 변화를 나타낸다.
• 화산 활성 확장은 플레이트오의 남서부(상류) 부문에서 가장 심하게 나타나며, 이는 높은 동적 압력과 융해수용 속도와 일치한다.
• 북동부 가장자리는 플레이트오의 하류에 위치해 있어 화산 활동이 최소한으로 나타나며, 이는 융해수용 가능성이 낮고 동적 압력도 낮기 때문이다.
• 융해 분리와 점성 감소는 변형을 증폭시키고 지각의 얕아짐과 대류적 제거를 촉진하는 피드백 순환을 형성한다.
• 이 모델은 워싱턴 주 지구대 및 기타 크라톤의 재활성화를 유사한 융해수용 과정의 결과로 설명하며, 크라톤 불안정화의 일반적 메커니즘을 제안한다.