为“边缘海”地幔演化建立统一模型

边缘海是位于地球大陆和大洋之间的重要海域，是研究大陆与大洋相互作用、能量交换与全球气候变化的关键场所。全球70%以上的边缘海分布在东亚–西太平洋地区。

（图片来自网络）

南海是西太平洋最具代表性的边缘海之一，位于欧亚板块、菲律宾板块和印度-澳大利亚板块的交汇处（图1）。在南海辽阔的海域中，不仅分布着东沙群岛、西沙群岛、中沙群岛和南沙群岛等众多岛礁国土，而且蕴藏着丰富的油气、天然气水合物和生物资源，具有巨大的资源开发潜力。因其特殊的地理位置与构造背景，南海是研究地球边缘海形成演化机制、全球低纬度气候演变与洋陆交换过程等国际前沿科学问题的“天然实验室”，对其研究同时面向国家重大需求。

图1 南海与周边俯冲构造

认识南海下地球地幔的地球物理与地球化学性质以及其演化过程是揭开南海形成机制的基础。如果把地球比喻成一个鸡蛋，地幔就相当于鸡蛋的蛋白，按其所占体积计算，地幔约占整个地球体积的84%。研究发现，南海大陆破裂、海底扩张，以及扩张停止后的一系列岩浆活动，都跟南海地幔的温度、成分息息相关。

近年来通过国际大洋钻探、国家自然科学基金委重大研究计划“南海深部过程演变”等项目的支持，科学家们利用大洋钻探、近海底深拖地磁测量、深部地震实验和岩石地球化学分析等多学科研究手段，首次精确测定了南海各海盆的扩张年龄、地幔地球化学元素的端元组成以及地壳厚度变化。但不同的地球物理与地球化学观测之间缺乏交叉验证的定量化统一模型。

近期，中国科学院南海海洋研究所林间特聘研究员团队创新性地结合先进的热力学模拟与地幔熔融理论，以南海海上地震实验测定的地壳厚度和国际大洋钻探获取的岩石地球化学数据为约束，首次建立了南海地幔温度、成分及其演化过程的定量化统一模型。

模型结果表明：第一，南海东部和西南次海盆的地幔温度基本一致；第二，东部和西南次海盆岩石地球化学特征的差异主要受控于地幔组分。且东部次海盆北部陆缘（扩张初期）岩石样品的地球化学特征与西南次海盆洋脊处一致，表明扩张初期东部次海盆的地幔性质与西南次海盆相似。

研究人员进一步提出了南海地幔演化的重要阶段：在南海形成初期，由于重力作用，大陆下部分地壳被拆离并沉陷在下伏地幔中，导致东部和西南次海盆的地幔都混染了少量大陆下地壳成分。但伴随着南海海底扩张的进行，混染了少量大陆地壳的地幔逐渐被来自深部的无污染的正常地幔取代。由于海底扩张持续时间的不同，南海东部和西南次海盆不同位置下的地幔组分可能存在系统性的差异（图2）。

以上研究对于揭示边缘海地幔演化动力学过程具有重要的指导意义。

图2 南海地幔演化模式图

该研究由中科院南海海洋研究所张旭博助理研究员、林间特聘研究员和美国波士顿学院Mark Behn教授共同完成。相关成果近日发表于国际期刊 Journal of Geophysical Research: Solid Earth (《地球物理研究杂志：固体地球》)。研究获得国家自然科学基金委重大研究计划“南海深部过程演变”的构造与岩浆活动集成研究、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）等项目支持。

论文题目：Mantle heterogeneity and melting processes in the South China Sea: Thermal and melting models constrained by oceanic crustal thickness and basalt geochemistry，https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020JB020735

来源：中国科学院南海海洋研究所