[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出，岩石圈-软流圈边界处的熔体渗透通过热力和化学作用使稳定的克拉通岩石圈发生再生活化与失稳，以科罗拉多高原为案例研究。该过程由板块运动引起的动力压强梯度与熔体分离共同驱动，解释了高原内部与边缘之间不对称的岩浆活动及地球物理差异，其中熔体增强的弱化作用促进了岩石圈减薄与热对流移除。

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.

研究动机与目标

• 探讨除拆沉作用外，导致稳定大陆岩石圈失稳的其他机制。
• 研究岩石圈-软流圈边界处的熔体渗透如何引起克拉通区域的热力与化学改造。
• 解释科罗拉多高原内部与边缘之间观测到的地球物理不对称性（如地震波速与地热流梯度）。
• 评估动力压强梯度与熔体分离在控制岩浆活动空间分布及岩石圈弱化中的作用。
• 将熔体渗透模型推广至其他克拉通区域，包括怀俄明省与华北克拉通。

提出的方法

• 分析地震层析成像与接收函数数据，以描绘科罗拉多高原范围内地幔地震波速与岩石圈厚度的横向变化。
• 利用岩屑地球化学与温压计分析，推断高原内部与边缘岩石圈地幔的热力与化学状态。
• 模拟北美板块相对于下伏软流圈运动所引起的岩石圈-软流圈边界处的动力压强梯度。
• 整合熔体分离与黏度降低的反馈机制，模拟熔体渗透如何增强形变并弱化岩石圈。
• 将观测到的岩浆侵入模式与基于迎风/背风流体动力学预测的熔体渗透速率进行对比。
• 将该模型应用于其他克拉通（如华北、坦桑尼亚）以检验其在大陆内部演化中的普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 岩石圈-软流圈边界处的熔体渗透在多大程度上促进稳定克拉通岩石圈的失稳？
• RQ2 为何科罗拉多高原边缘的地震波速较慢而地热流较高，相较于其内部？
• RQ3 是什么控制了科罗拉多高原周围新生代岩浆活动的不对称分布？
• RQ4 动力压强梯度与熔体分离如何相互作用以促进岩石圈弱化与减薄？
• RQ5 熔体渗透在多大程度上可解释怀俄明省与华北克拉通等其他克拉通区域的地球化学与地球物理演化？

主要发现

• 科罗拉多高原内部表现出快速的地震波速与低地热流，表明其具有厚、冷且化学稳定的岩石圈，铁-镁比值较低。
• 高原边缘显示出较慢的地震波速、较高的地热流以及升高的Vp/Vs比值，表明其经历了熔体渗透引起的热力与化学改造。
• 岩浆侵入在高原西南（迎风）区域最为强烈，与更高的动力压强和熔体渗透速率一致。
• 高原东北边缘（背风）区域岩浆活动极少，与较低的熔体渗透潜力及减弱的动力压强相吻合。
• 熔体分离与黏度降低形成正反馈回路，增强形变，促进岩石圈减薄与热对流移除。
• 该模型可解释怀俄明省及其他克拉通的再生活化现象，表明其为克拉通失稳的普遍机制。