張國(guó)良

1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所深海研究中心，青島 266071

2. 中國(guó)科學(xué)院大科學(xué)中心，青島 266071

自20世紀(jì)60年代板塊構(gòu)造理論建立以來(lái)，無(wú)論是離散性板塊還是匯聚型板塊邊界附近的巖漿活動(dòng)通常都可以歸因于板塊構(gòu)造。除了板塊邊界相關(guān)的火山作用以外，在板塊內(nèi)部也存在大量火山活動(dòng)。這些板內(nèi)火山活動(dòng)形成了廣泛分布的洋底高原和海山（全球高1 km以上的海山超過(guò)4萬(wàn)座）。板內(nèi)火山活動(dòng)作為地球上一種重要的巖漿活動(dòng)，是地球內(nèi)、外圈層相互作用的重要方式[1-2]。板內(nèi)巖漿活動(dòng)可以在較短的地質(zhì)時(shí)間內(nèi)（如5 Ma）形成大火成巖?。ㄈ鏞ntong Java等），不僅影響地球內(nèi)部多圈層間物質(zhì)循環(huán)，還能影響到地表生存環(huán)境[1,3-4]，因此，其成因得到國(guó)際上廣泛關(guān)注，是國(guó)際地學(xué)界的熱點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題。然而，這些板塊內(nèi)部的巖漿活動(dòng)并不能直接由板塊構(gòu)造理論來(lái)解釋?zhuān)沟闷涑梢蚴钱?dāng)今固體地球科學(xué)重大挑戰(zhàn)之一。

20世紀(jì)70年代，國(guó)際上提出“地幔柱”假說(shuō)來(lái)解釋洋底高原和有時(shí)間序列的洋島/海山鏈成因[5]。地幔柱假說(shuō)模型認(rèn)為，地球深部高溫物質(zhì)（如，核幔邊界）以地幔柱形式上涌，沿途包裹淺部地幔物質(zhì)并在淺部發(fā)生大規(guī)模減壓熔融，在大洋環(huán)境中可以短期內(nèi)（如5～10 Ma）形成巨大洋底高原[6-8]。地幔柱假說(shuō)認(rèn)為，在洋底高原形成后，地幔柱仍持續(xù)穩(wěn)定的供應(yīng)巖漿，并隨著板塊運(yùn)動(dòng)在大洋中形成有年齡序列的海山鏈[9-11]。一般認(rèn)為，地幔柱巖漿活動(dòng)來(lái)自較深和異常高溫的地幔源區(qū)[11]。一些洋底高原（如Ontong Java高原）和有年齡序列的海山鏈（如皇帝嶺-夏威夷海山鏈）通常被認(rèn)為形成于地幔柱活動(dòng)[12-14]。

近年來(lái)研究顯示，一些大洋板內(nèi)火山的成因可能并非來(lái)自一個(gè)固定的“熱點(diǎn)”，與一個(gè)深部來(lái)源的地幔柱也沒(méi)有直接聯(lián)系。例如，有研究認(rèn)為，被動(dòng)大陸邊緣附近的海山可能與大陸裂解導(dǎo)致的巖石圈下部物質(zhì)對(duì)流至淺部并發(fā)生部分熔融而導(dǎo)致[15-16]；擴(kuò)張中心兩側(cè)的海山被認(rèn)為是與洋中脊擴(kuò)張過(guò)程中的軟流圈減壓熔融有關(guān)，成因上離不開(kāi)洋中脊擴(kuò)張過(guò)程[17]；巖石圈下部小尺度淺部軟流圈地幔對(duì)流和減壓熔融[18-19]；軟流圈相對(duì)巖石圈流動(dòng)過(guò)程中的粘滯性運(yùn)動(dòng)[18]，以及軟流圈低度部分熔融產(chǎn)物沿著與板塊運(yùn)動(dòng)方向相同的巖石圈內(nèi)活動(dòng)剪切斷層形成巖漿活動(dòng)等[20]。盡管如此，大規(guī)模的巖漿活動(dòng)形成的洋底高原（如Ontong Java洋底高原）和長(zhǎng)期活動(dòng)的熱點(diǎn)形成的大規(guī)模海山鏈（如黃帝嶺-夏威夷海山鏈），均不能由以上這些小尺度地質(zhì)過(guò)程所形成。存在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且能產(chǎn)生大規(guī)模巖漿活動(dòng)的熱點(diǎn)，對(duì)于形成洋底高原和長(zhǎng)時(shí)間序列海山鏈依然非常必要。

根據(jù)經(jīng)典地幔柱假說(shuō)，一個(gè)新生的地幔柱會(huì)在短時(shí)間尺度內(nèi)先形成一個(gè)洋底高原，隨后長(zhǎng)周期內(nèi)形成一個(gè)連續(xù)的海山鏈?？梢?jiàn)，證明存在一個(gè)有直接成因聯(lián)系且年齡連續(xù)變化的洋底高原和海山/洋島火山鏈系統(tǒng)是檢驗(yàn)地幔柱是否存在的關(guān)鍵。但是，直到目前，尚未發(fā)現(xiàn)有直接成因聯(lián)系的洋底高原和海山鏈[10,14,21]。這導(dǎo)致地幔柱仍是一個(gè)假說(shuō)，并未從根本上得到自然界地質(zhì)現(xiàn)象的驗(yàn)證。地球上主要的洋底高原（如Ontong Java，Manihiki，Shatsky等）和有年齡序列的海山鏈（如Empire-Hawaii，Louisville，Easter等），往往單獨(dú)存在而缺少成因上的聯(lián)系。為了建立洋底高原和海山鏈與地幔柱之間的成因聯(lián)系，最有效的方法是：尋找并通過(guò)現(xiàn)代大洋中在板塊構(gòu)造方向上連接的“洋底高原-海山鏈”系統(tǒng)來(lái)檢驗(yàn)。黃帝嶺-夏威夷海山鏈?zhǔn)鞘澜缟献铋L(zhǎng)、且仍持續(xù)活動(dòng)的海山鏈，除未發(fā)現(xiàn)與地幔柱假說(shuō)對(duì)應(yīng)的“柱頭”（洋底高原）以外，這個(gè)海山鏈基本符合地幔柱所有基本要素。有學(xué)者假設(shè)洋底高原不易俯沖進(jìn)入地幔，從而認(rèn)為存在于黃帝嶺海山鏈北端的潛在洋底高原可能位于勘察加-鄂霍次克海附近，并提出通過(guò)鉆探檢驗(yàn)洋底高原是否存在，從而檢驗(yàn)地幔柱假說(shuō)[22]。盡管這是個(gè)有趣的假說(shuō)，目前在海底并沒(méi)有明確的地球物理證據(jù)顯示存在巨大的洋底高原；關(guān)于洋底高原以及何種規(guī)模的洋底高原能否俯沖進(jìn)入俯沖帶，目前也沒(méi)有明確理論。尤其是，即使存在一個(gè)對(duì)應(yīng)的洋底高原，也不確定其所處的地層深度（可能有巨厚沉積層）及是否能夠通過(guò)現(xiàn)代鉆探技術(shù)鉆獲基底。

實(shí)際上，北半球太平洋存在兩個(gè)新生代以來(lái)形成的熱點(diǎn)海山鏈。除了研究程度較高的黃帝嶺-夏威夷海山鏈以外[23]，還有一個(gè)卡洛琳（Caroline）海山鏈[24-26]。已有明確證據(jù)顯示，卡洛琳海山系統(tǒng)由卡洛琳高原（西端）和洋島/海山鏈（東部）組成，尤其是，該洋底高原正在俯沖進(jìn)入雅浦海溝（6 mm/a），但還有一大部分沒(méi)有俯沖進(jìn)入地幔。整個(gè)卡洛琳海山鏈系統(tǒng)的延伸方向大致符合西太平洋板塊運(yùn)動(dòng)方向[27]，這使得研究卡洛琳洋底高原與東部卡洛琳海山鏈系統(tǒng)的成因聯(lián)系，是檢驗(yàn)地幔柱假說(shuō)的一個(gè)十分有效的思路和方法。

1 卡洛琳海山鏈構(gòu)造背景

卡洛琳海山鏈系統(tǒng)西起雅浦海溝，向東延伸至Ontong Java北側(cè)，總長(zhǎng)度約2 500 km（圖1）?？辶崭咴煞譃闁|、西卡洛琳脊，位于卡洛琳海山系統(tǒng)的西端（圖1）、馬里亞納島弧以南[28-29]，其面積與太平洋Manihiki洋底高原相當(dāng)?？辶昭蟮赘咴挥诳辶瞻鍓K北部，北側(cè)可能是太平洋板塊，但還沒(méi)有明確證據(jù)顯示其下伏板塊的性質(zhì)。在東、西卡洛琳脊被一個(gè)WN-ES方向伸展的、西寬東窄的索羅爾海槽所分開(kāi)。有研究推斷，太平洋板塊和卡洛琳板塊的分界線(xiàn)沿著索羅爾海槽分布?？辶昭蠹箹|側(cè)則是密集分布的平頂海山，繼續(xù)向東則海山規(guī)模明顯減小。該海山鏈最東側(cè)由3個(gè)著名的洋島組成：楚克（Truuk）島、波納佩（Ponape）島和科斯雷（Kosrae）島。這3個(gè)洋島明顯是位于中生代形成的太平洋板塊之上[30]。早期研究顯示，卡洛琳海山鏈總體較年輕（11～2 Ma），這3個(gè)洋島火山巖年齡有從西向東逐漸變小的趨勢(shì)[25,31-32]。最年輕的科斯雷洋島位于太平洋大尺度剪切低速帶范圍以?xún)?nèi)（圖1），下部低速帶深可達(dá)核幔邊界[33]。

圖1 卡洛琳高原-海山鏈系統(tǒng)地形圖（a）和鉆探站位分布（b）圖中白色虛線(xiàn)代表熱點(diǎn)隨板塊運(yùn)動(dòng)的軌跡[27]。(a)中紅色圓圈代表已有采樣站位。Fig.1 Bathymetry map of the Caroline plateau-seamount volcanic chain (a) and distribution of proposed drilling sites (b)Dashed white line in (a) indicates path of Caroline hotspot under the moving plate [27]. Red circle in (a) indicates drilled sites.

2 卡洛琳海山鏈研究現(xiàn)狀和有關(guān)科學(xué)問(wèn)題

實(shí)際上，除對(duì)卡洛琳東段幾個(gè)主要洋島開(kāi)展研究相對(duì)容易以外，對(duì)卡洛琳海山鏈西段和中段海山的研究難度都比較大。盡管20世紀(jì)80年代已經(jīng)初步測(cè)定了卡洛琳東段洋島玄武巖的噴發(fā)年齡，確定了從西向東逐漸變小的年齡趨勢(shì)[32]（楚克：12.7～4.7 Ma；波納佩：8.6～3.0 Ma；科斯雷：2.6～1.2 Ma），對(duì)這些洋島開(kāi)展詳細(xì)成因研究卻開(kāi)始于近十年?？辶蘸Ｉ芥溩钅贻p的科斯雷洋島只有大約1 Ma，根據(jù)French和Romanowicz[33]研究，該島目前位于中太平洋起源于核幔邊界的剪切波速異常區(qū)，指示了科斯雷洋島可能起源于一個(gè)深達(dá)核幔邊界的深部源區(qū)。Jackson等[25]發(fā)現(xiàn)楚克、波納佩和科斯雷3個(gè)洋島的火山巖具有相對(duì)上地幔（約8RA）異常高的3He/4He比值（達(dá)12.8RA，RA代表大氣3He/4He比值），顯示這些火山巖很可能來(lái)源于下地幔。

近年來(lái)對(duì)這些洋島火山巖的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，這些洋島主要由硅不飽和且富TiO2的堿性火山巖組成，在火山巖中還發(fā)現(xiàn)了碳酸巖熔體交代的現(xiàn)象[30]。在全巖化學(xué)組成上，這些洋島火山巖還具有碳酸巖熔體特有的Nb-Ta-Zr-Hf負(fù)異常特征。另外，Zhang等[30]還發(fā)現(xiàn)波納佩洋島火山巖體現(xiàn)為兩階段性，第一階段是碳酸鹽化硅酸巖熔體與上覆太平洋深部巖石圈的反應(yīng)/交代演化，這個(gè)過(guò)程中巖漿結(jié)晶出橄欖石、單斜輝石、磷灰石、鈣鈦礦等礦物，其中磷灰石和鈣鈦礦的結(jié)晶分異使得巖漿中稀土和高場(chǎng)強(qiáng)元素含量隨演化逐漸降低；在第二階段演化過(guò)程中，這些巖漿不再結(jié)晶分異磷灰石和鈣鈦礦等礦物，主要表現(xiàn)為正常的分離結(jié)晶演化。盡管早期地質(zhì)調(diào)查也將卡洛琳洋島劃分為造盾期和造盾期后等，但是，與夏威夷洋島不同的是，卡洛琳洋島只出現(xiàn)堿性火山巖，說(shuō)明卡洛琳地幔柱活動(dòng)性很弱，只形成低的地幔熔融程度。

國(guó)際上關(guān)于卡洛琳高原的研究程度低于東部的卡洛琳洋島。最初的研究認(rèn)為西卡洛琳高原可能代表卡洛琳板塊向北俯沖形成的一個(gè)殘留島弧[34]，但是，這缺少了直接的巖石學(xué)證據(jù)。DSDP 57站在卡洛琳高原北部邊緣獲得了一小段玄武巖巖芯，這才認(rèn)識(shí)到卡洛琳高原可能由板內(nèi)火山活動(dòng)而形成，其K-Ar年齡顯示形成于約23.5 Ma[35]。實(shí)際上，由于DSDP 57站位獲得的玄武巖很少，且該站位沒(méi)有位于卡洛琳高原中部，并不確定這些站位火山巖的代表性?！翱茖W(xué)”號(hào)綜合考察船于2014—2015年對(duì)東卡洛琳高原西端和索羅爾海槽進(jìn)行了3個(gè)站位的巖石拖網(wǎng)作業(yè)，獲得大量火山巖。研究發(fā)現(xiàn)，在東卡洛琳高原西端獲得的火山巖主要是堿性玄武巖（圖2），而在索羅爾海槽發(fā)現(xiàn)的火山巖均是拉斑玄武巖[30]，而且，這些拉斑玄武巖與DSDP 57站位玄武巖地球化學(xué)組成非常相似，在微量元素組成上都類(lèi)似于Ontong Java洋島高原玄武巖，被確定為一個(gè)中等尺度的洋底高原[26]?？辶昭蟮赘咴^為虧損的微量元素和同位素組成顯示大量虧損上地幔物質(zhì)的參與，這與一個(gè)起始地幔柱與洋脊附近軟流圈相互作用結(jié)果是一致的。一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，東卡洛琳西端獲得的堿性火山巖在Sr-Nd-Pb-Hf同位素組成上與卡洛琳洋島火山巖非常相似的，而且索羅爾海槽的拉斑玄武巖同位素組成正好介于太平洋型虧損地幔與東卡洛琳西端堿性火山巖之間。Zhang 等[26]提出，卡洛琳洋底高原拉斑玄武巖源區(qū)可能存在卡洛琳洋島火山巖所代表的富集地幔端元，二者可能形成于同一個(gè)熱點(diǎn)。

3 卡洛琳海山鏈檢驗(yàn)地幔柱假說(shuō)的潛力及大洋鉆探站位設(shè)置

卡洛琳高原整體上沿著索羅爾海槽裂開(kāi)，從而使得洋底高原基底巖石出露海底，這使得已有研究較好地分析了卡洛琳洋底高原的礦物巖石、地球化學(xué)組成和年代學(xué)。通過(guò)沿著索羅爾海槽南北兩側(cè)開(kāi)展的常規(guī)采樣，可以進(jìn)一步對(duì)卡洛琳高原進(jìn)行精細(xì)研究。盡管已有研究已經(jīng)初步確定了東部卡洛琳洋島/海山鏈火山巖與卡洛琳洋底高原火山巖具有相似的地幔源區(qū)，但是，在卡洛琳高原和東部洋島火山鏈之間還存在大量平頂海山，其成因并不太明確。檢驗(yàn)整個(gè)海山鏈?zhǔn)欠駚?lái)自同一個(gè)地幔柱活動(dòng)，則需要獲得這些中段平頂海山火山巖，并分析其源區(qū)是否與卡洛琳洋底高原和東部洋島/海山鏈一致，以及年代上是否具有連續(xù)性?？梢?jiàn)，盡管已有初步研究揭示了卡洛琳洋底高原與東部3個(gè)卡洛琳洋島可能具有同一來(lái)源，目前還缺少卡洛琳洋底高原與楚克洋島之間轉(zhuǎn)換地帶平頂海山的巖石學(xué)和年代學(xué)資料。這些卡洛琳海山主要為平頂海山（圖1），曾經(jīng)位于海平面以上。這些平頂海山上部布滿(mǎn)礁灰?guī)r，而在深水部分大量覆蓋沉積層或錳結(jié)殼，以往海上調(diào)查結(jié)果顯示常規(guī)采樣方法（拖網(wǎng)、淺鉆、電視抓斗等）很難獲得平頂海山火山巖。

圖2 卡洛琳海山鏈火山巖年齡分布 [26]Fig.2 Distribution of ages for the Caroline volcanic chain [26]

如果要在真正意義上證明卡洛琳洋底高原-海山系統(tǒng)符合地幔柱假說(shuō)，則需要巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)聯(lián)合研究，解決的關(guān)鍵問(wèn)題是與卡洛琳洋底高原同源的玄武巖是否分布在平頂海山區(qū)，且形成時(shí)代連續(xù)?？辶昭蟮赘咴饕衫咝鋷r（含少量堿性玄武巖）組成，而東部卡洛琳洋島主要為堿性玄武巖。如果這兩種火山巖都來(lái)自同一個(gè)地幔柱活動(dòng)，則二者之間的銜接和轉(zhuǎn)換機(jī)制也是認(rèn)識(shí)地幔柱本質(zhì)的一個(gè)重要方面。地幔柱假說(shuō)認(rèn)為高溫地幔柱頭在上涌過(guò)程中會(huì)包裹周?chē)奶潛p地幔物質(zhì)，從而產(chǎn)生高程度部分熔融并主要形成拉斑玄武巖。隨著地幔柱頭活動(dòng)形成洋底高原后，其活動(dòng)性逐漸減弱且熔融程度降低，包裹周?chē)潛p地幔物質(zhì)減少，從而火山巖堿性增強(qiáng)。可見(jiàn)，除了年代學(xué)連續(xù)性以外，檢驗(yàn)平頂海山火山巖是否在巖性上也在卡洛琳洋底高原和東部洋島/海山鏈之間構(gòu)成連續(xù)性，也是檢驗(yàn)地幔柱假說(shuō)是否成立的重要條件。

為了檢驗(yàn)卡洛琳海山系統(tǒng)形成于地幔柱活動(dòng)，開(kāi)展大洋鉆探取芯十分必要。卡洛琳海山系統(tǒng)進(jìn)行大洋鉆探需要考慮的因素包括：首先，卡洛琳轉(zhuǎn)換帶平頂海山區(qū)東西橫跨約700 km，南北寬約500 km，鉆探選址分布在時(shí)空上要有代表性；其次，盡量避免平頂海山頂部，因?yàn)檫@里常有巨厚的礁灰?guī)r層，鉆探獲得基巖的難度很大；第三，平頂海山區(qū)可能橫跨了太平洋板塊和卡洛琳板塊之間的邊界[30]，邊界兩側(cè)差距較大的不同板塊厚度可能對(duì)地幔熔融過(guò)程產(chǎn)生影響。鑒于此，在空間分布上，設(shè)置鉆探站位在東、西方向盡量均勻分布；通過(guò)南、北兩個(gè)鉆探剖面分布約束巖石圈厚度不同引起的巖漿作用差異；另外，我們選擇平頂海山翼部的隆起區(qū)作為主要鉆探區(qū)，以避開(kāi)礁灰?guī)r較厚的山頂，選擇平頂海山的底部或翼部。

基于解決科學(xué)問(wèn)題所需，以及上述約束條件的考慮，我們提出如圖1b所示的站位分布（CSC-1至CSC-5站位）。CSC-1至CSC-5大致均勻分布在不同經(jīng)度，分別具有東、西方向的空間代表性。CSC-1和CSC-3為南部剖面，CSC-2、CSC-4和CSC-5為北部剖面。在大洋鉆探基礎(chǔ)上，對(duì)火山巖巖心進(jìn)行詳細(xì)巖石學(xué)、地球化學(xué)、古地磁和年代學(xué)分析，并與卡洛琳洋底高原和東部海山鏈火山巖進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比研究?；诖?，判斷整個(gè)海山鏈?zhǔn)欠窬哂型粋€(gè)地幔柱源區(qū)，火山巖的年代分布是否符合板塊運(yùn)動(dòng)方向和速率，以及火山巖巖性變化是否符合逐漸降溫的地幔柱演化模式，從而揭示這些平頂海山火山巖是否也來(lái)自同一個(gè)地幔柱“熱點(diǎn)”，最終可以檢驗(yàn)“地幔柱”假說(shuō)是否成立。