灣區(qū)時(shí)訊 近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所林間院士團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合自然資源部第二海洋研究所研究員張濤和上海交通大學(xué)助理研究員田晉雨，在全球大洋中脊洋殼增生過(guò)程影響因素的定量化研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于自然指數(shù)期刊《Journal of Geophysical Research：Solid Earth》。南海海洋所助理研究員查財(cái)財(cái)為論文第一作者，研究員張帆為通訊作者。

圖1. 不同巖石圈結(jié)構(gòu)和浮力條件下，洋中脊下方的地幔上涌與熔融示意圖

地幔上涌與熔融是大洋中脊的基本過(guò)程，控制著洋殼的增生厚度。在洋中脊下方，地幔在板塊分離時(shí)被動(dòng)上涌，由于減壓熔融，形成了新的大洋地殼。在這一過(guò)程中，大洋巖石圈隨著年齡增長(zhǎng)向脊軸兩側(cè)增厚，會(huì)促進(jìn)地幔上涌。同時(shí)，洋中脊下方地幔溫度抬升和熔融所造成的浮力也加速了地幔上涌（圖1）。二者都趨向于增厚洋殼。然而，對(duì)于浮力和巖石圈增厚對(duì)洋殼增厚的相對(duì)貢獻(xiàn)尚缺乏定量研究。

圖2. 模型預(yù)測(cè)與地震探測(cè)洋殼厚度隨擴(kuò)張速率的變化

研究團(tuán)隊(duì)采用地球動(dòng)力學(xué)模擬方法，構(gòu)建了三類(lèi)模型來(lái)解析這一現(xiàn)象：考慮巖石圈增厚和浮力的參考模型 (BT)、只考慮巖石圈增厚的被動(dòng)上涌模型( PT)以區(qū)分浮力效應(yīng)，以及忽略巖石圈影響的空白模型 (PF)以剝離巖石圈增厚效應(yīng)。他們將模型預(yù)測(cè)洋殼厚度與地震探測(cè)的洋殼厚度變化進(jìn)行對(duì)比（圖2），定量評(píng)估了兩種因素的相對(duì)貢獻(xiàn)。

圖3. 浮力與巖石圈增厚效應(yīng)對(duì)洋殼增生的絕對(duì)（a, b）和相對(duì)（c, d）貢獻(xiàn)隨擴(kuò)張速率的變化

結(jié)果顯示，浮力和巖石圈增厚效應(yīng)在擴(kuò)張速度減慢時(shí)變得更為顯著。在大部分情況下，巖石圈增厚的相對(duì)貢獻(xiàn)超過(guò)了浮力，除了在地幔粘度較低、潛溫較高的超慢速擴(kuò)張脊，浮力的影響更為突出（圖3）。在快速擴(kuò)張脊，浮力的影響相對(duì)較弱，地幔潛溫的變化主導(dǎo)了洋殼厚度變化。然而，在超慢速擴(kuò)張脊，浮力導(dǎo)致的三維地幔上涌與地幔潛溫變化相結(jié)合，使洋殼厚度產(chǎn)生較強(qiáng)的沿軸（空間）和離軸（時(shí)間）變化。本研究所揭示的浮力效應(yīng)對(duì)洋殼增生的相對(duì)貢獻(xiàn)隨擴(kuò)張速率的變化規(guī)律，為“擴(kuò)張速率越慢，洋殼厚度變化越大”這一現(xiàn)象（圖2），提供了一種可能的動(dòng)力學(xué)解釋。

本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院項(xiàng)目等資助。

文章信息：

Zha, C., Zhang, F.*, Lin, J., Zhang, T., & Tian, J. (2024). On the relative importance of buoyancy and thickening of aging lithosphere in mantle upwelling and crustal production beneath global mid-ocean ridge system. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2023JB028432.

原文鏈接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JB028432

通訊員/李淑 王沐眾 徐曉璐

責(zé)任編輯/劉秀