南海海底扩张停止后海山链岩浆活动机制的热模拟研究

南海中央海盆与西南海盆的海底扩张年代及过程不同，但却都在海底扩张结束后持续出现火山活动，且由于深部地球动力学背景不同，两个次海盆残余中脊火山链熔岩具有不同的岩浆演化分布特征。本申请将对南海这两个次海盆扩张期后剩余岩浆活动开展热模拟研究。针对中央海盆扩张期清晰，西南海盆扩张期模糊的特点，首先从中央海盆残余中脊入手，计算扩张期后部分熔融位置随时间的热演化过程及壳-幔不同热演化体系的热结构；分析减压熔融、浮力上涌、流体交代等不同热物理条件下，岩浆熔融深度、迁移速率和持续时间。之后，开展西南海盆热模拟研究，从地热学角度，分别考察磁条带基础上地震学、地磁学、岩矿学得出的老、中、新三种不同扩张模式下的剩余岩浆活动。最后，通过对比两个次海盆残余中脊和火山链发育不同熔岩类型的热动力学条件和机制，结合地化测试分析，探索两个次海盆扩张终结后残余中脊火山链岩浆活动的异同，为西南海盆海底扩张的年代学研究提供证据。

南海是我国唯一发育洋壳且保留海底扩张信息的边缘海，海盆结构独特，具有两个扩张脊和众多海山链。北部扩张脊为25.5Ma以前的扩张中心，对应中央海盆开始扩张阶段。南部扩张脊在23.5Ma以后增生出新洋壳，并向东南延伸形成西南海盆。沿两扩张脊之间的海盆发育有许多海山链，其中，靠近马尼拉海沟的珍贝－黄岩海山链对应中央海盆扩张脊。“海底扩张的年代与过程”、“海山链岩浆活动时间与原因”是南海的核心科学问题。基于此，本项目开展南海中央海盆和西南海盆海底扩张终结后残余中脊海山链岩浆活动热模拟研究。针对西南海盆，我们开展了岩石圈热结构影响因素热模拟、洋壳温度对热导率影响热模拟、残余岩浆活动机制热模拟研究，探讨了西南海盆在新生代构造热演化过程中的密度结构和热结构、海底扩张期后岩浆活动的动力学机制、物理条件及可能的起止时间。针对中央海盆，我们研究了珍贝-黄岩海山链与岩浆活动相关的黏性、熔融和运移问题，模拟了黏性与压力和温度的关系、岩浆熔融程度与减压熔融浮力的关系。开展了马尼拉海沟俯冲带热模拟研究，计算了俯冲板块年龄、速度、角度和角落流变化对俯冲带热结构的影响，探讨了俯冲带摩擦剪切热与地震活动机制的关系。重要结果：（1）西南海盆主体部分在海底扩张期后没有叠加区域性的剧烈构造活动，自海底停止扩张后15Ma内，海底热流维持在60－150mW/m2之间，Moho面温度维持在680－1150℃之间。浮力减压熔融是残余岩浆活动的重要机制，扩张中心处熔融作用较强烈，抑制了岩石圈冷却速率，从而导致局部温度升高并伴随有密度减小。海底扩张结束之后的9.6－4.6Ma期间，西南海盆北侧7-9km深度仍具备岩浆活动的温度条件。如果存在含水系统，且有构造活动产生的减压条件，就可能形成局部熔融产生岩浆活动。（2）中央海盆扩张期后海山链不同黏性结构和温度条件对岩浆运移有重要影响，岩浆分凝深度与局部熔融程度是决定岩性的主要因素。珍贝-黄岩海山链火山岩岩性演化趋势为：扩张高峰期，在浅层形成拉斑玄武岩浆。扩张后期，幔源物质在不同深度通过部分熔融形成碱性玄武岩浆及拉斑玄武岩浆。扩张期末，深层条件下形成的碱性玄武岩浆逐渐占据主导地位。马尼拉海沟俯冲带热模拟显示，光滑海底俯冲断层生成的摩擦热量少，但形成地震的能量大，这一研究成果入选2014年度中国海洋十大科技进展，成果发现者为项目组成员博士生高翔，现已被特聘中科院海洋所研究员。