西太平洋“地球上最大火山”形成机制的三维地球动力学数值模拟

The Western Pacific Ocean has the most underwater volcanoes on Earth, and among them the Tamu Massif is proved to be the Earth's largest single volcano. This proposal seeks to address an important question: "How did the Earth's largest volcano form by the interaction between a ridge-ridge-ridge triple junction and a mantle plume?"We focus on following tasks: 1.set up a three-dimensional geodynamic model to describe the ridge-plume interaction; 2.calculate the coupled mantle flow and temperature structure, and constrain with magnetic anomalies and magmatic geochemistry characteristics; 3.calculate melted magma supply, constrain with crustal thickness and crustal volume estimates from seismic sounding and gravity predictions; 4.test optimal theoretical parameters then complete the numerical modeling to discuss the geological control mechanism of the volcano's formation. The practicability of this proposal is high because the applicant has been involved in prior geophysical and geochemical observations and the working panel has experience in numerical modeling for geodynamics. It is creative to conduct a quantitative analysis of the volcano's formation, which can provide insights to the geodynamic evolution of the lithosphere on Earth.

西太平洋为地球上海底火山最聚集的区域，其中的大塔穆火山被称为“地球上面积最大的单体火山”。本项目探索目前尚未解决的重要科学问题：“在洋中脊三联点和地幔柱的共同作用下，地球上最大火山是怎样形成的？”项目拟聚焦如下核心研究内容：(1) 通过一系列三维地球动力学模拟实验，定量研究洋中脊三联点与深部地幔热点相互作用对大塔穆火山形成的影响；(2) 计算耦合的三维地幔流场速度与温度结构，分别用大塔穆火山区内实际观测的磁异常条带、岩浆地球化学成分等作为约束；(3) 计算熔融岩浆量，用主动源地震与重力得到的地壳厚度和体积估算作为约束；(4) 反演出能解释上述观测的最佳模型参数，揭示大塔穆火山形成最关键的地质控制因素。项目申请人已完成大量的前期观测，所在项目组具有地球动力学数值模拟的长期积累。项目创新点在于首次通过定量数值建模研究大塔穆火山的形成机制，对研究地球岩石圈动力演化的基本规律具有重要意义。

西太平洋为地球上海底火山最聚集的区域，其中的大塔穆火山被称为地球上面积最大的单体火山。本项目探索目前尚未解决的重要科学问题：在洋中脊三联点和地幔柱的共同作用下，地球上最大火山是怎样形成的？项目包括如下主要研究内容：通过一系列三维地球动力学模拟实验，定量研究洋中脊三联点和深部地幔热点相互作用对大塔穆火山形成的影响；计算耦合的三维地幔流场速度与温度结构，分别用大塔穆火山区内实际观测的磁异常条带、岩浆地球化学成分等作为约束；计算熔融岩浆量，用主动源地震与重力得到的地壳厚度和体积估算作为约束；反演出能解释上述观测的最佳模型参数，揭示大塔穆火山形成最关键的地质控制因素。通过实施该项目的研究，获得以下重要结果：第一，大塔穆火山三维模型中，距离洋中脊三联点越近，地幔上涌速度越大；在三个洋中脊中较慢的洋脊展示出强烈的沿着洋脊走向指向三联点中心的地幔流动；但研究区内温度结构由较快速的洋脊控制；越靠近洋中脊三联点中心温度越高，同时温度随着深度增加而升高。第二，大塔穆火山是洋中脊三联点和地幔柱两个基本地质过程相互作用在地壳和地表产生的结果，单靠一种端元模式无法解释所有重要的海洋地质、地球物理、地球化学等重要观测；火山的浅部结构受控于洋中脊或者海底扩张机制，其深部结构受控于地幔柱模式。第三，大塔穆火山形态上是盾状火山，但是表面熔岩没有大面积、长距离扩散，而且内部结构也不是垂向叠加而成。同时，该火山构造上是洋中脊模式，但是地壳超厚，而且地壳厚度随着时间发生巨大变化，说明岩浆供应量极其不稳定。因此，大塔穆火山既不是典型的盾状火山，也不是典型的洋中脊，也许它是一个混合型的巨型海底火山类型。这种新型的火山能否被重新定义、地球上最大的单体火山这个命名是否仍然准确，有待日后研究进一步查明。项目首次实现了定量数值建模研究大塔穆火山的形成机制，对研究地球岩石圈动力演化的基本规律具有重要意义。